background image

Dr.Suroor Mohamed 

 

 Physiology of Neuron & Muscle     

 

Lecture 

 

1

 

 

The Nervous System is formed of a number of cells, which are of 2 types: 
 

 

1. Nerve cells = Neurons 

 

 

2. Supporting cells = Glial cells 

1. 

NEURONS

 

It is the basic structural unit of the NS. 
It generates electrical impulses → transmitted from one part of the body to another. 
In most neurons: electrical impulses →  release of chemical messengers (= 
neurotransmitters) to communicate with each other. 
Neurons are integrators: their output = the sum of the inputs they receive from 
thousands of other neurons that end on them.  
Neurons occur in a wide variety of shapes and sizes, but they share common features.  
They all possess 4 parts: 

1. Cell Body ( Soma): 

It contains  nucleus & organelles → provide energy  & sustain 

metabolic   activity of cells. 

2. Dendrites:- 

Usually 5-7 process (or  more) highly branched (up to 400,000)→   

 to increased surface area. receive most input &  Transmit impulses toward cell   body 

only

.

 

3. Axon 

= Nerve Fiber: Usually single & long (few μm to 1m).Transmits impulses away 

from soma toward target cell. 
-  

Axon hillock or initial segment 

(= beginning of axon + part of soma where axon joins 

it) is the trigger zone where electric signals are  generated in most neurons. Signals are 
then propagated along axon.Near its end the axon undergoes branching.  

 

4. Axon Terminal  

-  Each branch of the axon ends in an axon terminal. Responsible for the release of 
neurotransmitters (NT) from axon. NT diffuse out of the axon terminal to next neuron or 
to a target cell

 

2.Supporting cells:  

There  are 

sex categories

 

of supporting cells:

 

1.Schwann cells 

, which form myelin sheaths around peripheral axons. 

2. Satellite cells 

or ganglionic gliocytes , which support neuron cells bodies within the ganglia 

of the PNS. 

3. Oligodendrocytes, 

which form myelin sheaths around axons of CNS.  Unlike Schwann cells, 

they may branch to form myelin on up to 40 axons 

4. Microglia, 

which migrat through the CNS and phagocytose foreign and degenerated 

material. 

5. Astrocytes, 

which help to regulate the external environment of neurons in the CNS. 

6. Ependymal cells

, which line the cavities of the brain and the central canal of the 

spinal cord. 


background image

Dr.Suroor Mohamed 

 

 Physiology of Neuron & Muscle     

 

Lecture 

 

2

 

 

 

Axons of most (but not all) neurons are coated by a protective layer = myelin 
sheath  termed as  “

myelinated

 neurons”.

 

 

Myelin sheath is formed by the following cells:

 

 

1. In peripheral NS (PNS): by Schwann cells

 

 

2. In central NS (CNS): by oligodendrocytes.

 

 

Function of myelin sheath:

 

  1. Myelin sheath helps to insulate axons & prevents cross-stimulation of adjacent 
axons. 
  2. Myelin sheath allows nerve impulses to travel with great speed down the axons, 
“jumping” from one node of Ranvier to the next. 
 

  ***Some nerve fibers are “unmyelinated”.  Their axons are covered by a Schwann cell, 
but there are no multiple wrappings of membrane which produces myelin.  These axons 
conduct impulses at a much lower rate. 

 

Myelin sheath of an axon is formed of many Schwann cells that align themselves 
along length of axon.

 

 Nucleus is located in outermost layer. Each segment is separated from the next by a small 
unmyelinated segment called node of  Ranvier. Plasma membrane of Schwann cells is ~ 80% lipid 
→ myelin sheath is mostly lipid → appears glistening white to the naked eye.

 

 

 

 

 


background image

Dr.Suroor Mohamed 

 

 Physiology of Neuron & Muscle     

 

Lecture 

 

3

 

 

Nerve Impulse  or Action Potential 

 

Is the electrical current moving from the dendrites to cell body to axon.

 

 

It results from the movement of ions (charged particles) into and out a neuron 
through the plasma membrane

 

Resting Membrane Potential   *RMP*

 

The resting membrane potential is the potential difference that exists across the 
membrane of excitable cells such as nerve and muscle in the period between action 
potentials (i.e., at rest).  

Is the difference in electrical charge on the outside and inside of the plasma membrane in a 
resting neuron (not conducting a nerve impulse).

 

The 

outside

 has a

 positive 

charge and the 

inside 

has a 

negative 

charge.We refer to this as a 

polarized membrane.A 

resting neuron is at about -70mV

 

Nernst Equation 

The Nernst equation is used to calculate the equilibrium potential for an 

ion at a given concentration  difference across a membrane, assuming that the 
membrane is permeable to that ion. By definition, the  equilibrium potential is calculated 
for one   ion   at   a   
time 

 

 

 

At rest,  The 

K+ 

conductance or permeability is 

high

 and K+ channels are almost fully 

open, 

allowing K+ ions to diffuse 

out

 of the cell down the existing concentration gradient. This 

diffusion creates a K+ diffusion potential, which drives the membrane potential toward the K+ 
equilibrium potential. At rest, 

the Na+ 

conductance is 

low, 

and, thus, the resting membrane 

potential is 

far 

from the Na+ equilibrium potential .Because of the high ratio of potassium ions 

inside to outside,  Therefore, if potassium ions were the only factor causing the resting potential, 
the resting potential inside the fiber would be equal to –94 mV.

 

The difference is due to :

 

1.There is 

30 times more K+ inside the cell 

than outside and about 15 times more Na+ outside 

than inside. 

2.There are 

also large negatively charged proteins 

trapped inside the cell. (This is why it is 

negative inside.) 

3. The action of 

the Na+/K+ pumps 

, that pump out 3 Na ions for every 2 K ions that they 

transport into the cell.

 

 


background image

Dr.Suroor Mohamed 

 

 Physiology of Neuron & Muscle     

 

Lecture 

 

4

 

 

There is continuous pumping of three sodium ions to the outside for each two potassium ions 
pumped to the inside of the membrane. The fact that more sodium ions are being pumped to the 
outside than potassium to the inside causes 

continual loss of positive 

charges from inside the 

membrane; this creates an additional degree of negativity Therefore, the net membrane potential 
of k+  with all these factors operative at the same time is  about –90 mV .

 

 

 

Alterations in the membrane potential are achieved by varying the membrane permeability 
to specific ions in response to stimulations.The physiology of neurons and muscle cells are 
their ability to

 produce 

and conduct  these changes in membrane potential, such an ability 

is termed 

excitability or irritability.

 

 

If appropriate stimulation cause positive charges to flow into the cell. This change is called 

depolarization

(hypo polarization). A return to the RMP is known as 

repolarization

.

 

# If stimulation cause the inside of the cell to become 

more negative 

than the RMP this change 

is 

called hyper polarization 

which can be caused either by positive charges leaving the cell or by 

negative charges enter the cell. 

 Any potential not the RMP called membrane potential. 
 Any stimulus can cause action potential 

called threshold stimulus

 

Electrotonic potential 

is a local potential and cannot be propagated and produced by 

Subthreshold stimulus

.

 

The shape of action potential is the same in all the nerves but it's magnitude change from one 
nerve to another but it remain 

uniform 

shape.

 

When the axon membrane has been 

depolarized 

to 

a threshold level, the 

Na+gates open 

and the membrane becomes permeable to Na+, this 

permits Na+ to enter the axon by diffusion which further depolarized the membrane(make the 
inside less negative or more positive).

 

 

 Since the gates for the Na+channels of the axon membrane are voltage regulated, this 
additional depolarization opens more Na+channels and makes the membrane even more 
permeable to Na+and more Na+ can enter the cell and induce a depolarization that opens 
even more voltage– regulated Na+gates

 


background image

Dr.Suroor Mohamed 

 

 Physiology of Neuron & Muscle     

 

Lecture 

 

5

 

 

 

positive

 feedback loop is thus created, the explosive increase in Na+permeability 

results in a rapid 

reversal

 of the membrane potential in that region from(– 70mv) 

to (+30mv). At that point in time, the channels of Na+ close (become inactivated).

 

 

 At this time, voltage– 

gated K+ channels open 

and 

K+ diffuse rapidly out 

of the 

cell, and make the inside of the cell less positive or 

more negative

. This process is 

called 

repolarization

 and represents the completion of a negative feed back loop.

 

 Once an action potential has been completed, the 

Na+– K+ pump 

will extrude the 

extra Na+ that has entered the axon and recover the K+ that has diffused out of 
the axon.

 

Phases of action potential 

 The first portion ,

local response 

is due to slowly opening of voltage gated Na+channels.

 

At the 

firing

 level (–55mv), full complete opening of voltage gated Na+ channels, and Na+will 

rush very rapidly to cell and membrane potential will reach ( +35mv). So the 

depolarization

 is due 

to opening of the 

voltage gated Na+channels

.

 

At ( +35mv) the Na+entarce will stop because:

 

1. The opening of voltage gated Na+ channels are time limited for short constant 
period and this limited time cause depolarization will reach only to (+35mv) and 
then stop.

 

2. At (+35mv) K+ channels are opened.

 

 

So 

depolarization

 from (–70mv to +35mv) is due to  activation of Na+ channels.

 

At (+35mv) 

opening of K+ voltage gated 

channels and K+ go outside according to concentration 

gradient by diffusion. The channels are opened completely from the first time and 

repolarization

 

will start from (+35mv) to (–55mv), at this point there will be in activation ( closure) of K+ 
channels. 

Na+ ions 

concentration inside will 

increase

 and this will cause stimulation to Na+–K+ 

pump to exclude Na+ and carry K+ inside, till it reach to (–70mv) again 

( RMP), 

so that after 

potential ( after depolarization) phase due to Na+– K+ pump.

 

There will be loss of energy during action potential, so at after depolarization to put the 
membrane potential again equal to RMP by Na+–K+ pump is called {

recharging of nerve}, 

so any 

stimulus at this phase the nerve will 

not

 response to it.

 

  

Why at( –55mv)Na+ channels will not open again ?

 

When Na+ channels inactivated, they need time more than 0.1msec. to return to their original  
conformation, and to open Na+ channels again at  (–55 mv) must apply stimulus mor.e than the 
first one

 

 


background image

Dr.Suroor Mohamed 

 

 Physiology of Neuron & Muscle     

 

Lecture 

 

6

 

 

Repolarization of the action potential

The upstroke is terminated, and the membrane potential 

repolarizes to the resting level as a result of two events. 

 

1.The inactivation gates on the Na+ channels 

respond to depolarization by closing, 

but their response is slower than the opening of the activation gates.

 

2. 

Depolarization opens K

channels and increases K+ conductance 

to

 a value 

even higher than occurs at rest. 

 

The combined effect of closing of the Na+ channels and greater opening of the K+ 
channels makes the K+ conductance much higher than the Na+ conductance. Thus, an 
outward K+ current results, and the membrane is repolarized.  

 

Hyperpolarizing afterpotential (undershoot). 

For a brief period following repolarization, the K+ 

conductance is higher than at rest and the membrane potential is driven even closer to the K+ 
equilibrium potential . Eventually, the K+ conductance returns to the resting level, and the 
membrane potential depolarizes slightly, back to the resting membrane potential. 

 

Refractory periods: 

 Means the nerve will 

not

 respond to stimulus 

during action 

potential and it is of two types: 

 

 

Absolute RP. 

→located between the start of 

depolarization

 until one third of 

repolarization. The 

nerve never 

respond to 

any stimulus 

whatever it's strength, due 

to full, complete activation of Na+ channels and so no extra channels are opened, 
and then at (+35mv), there will be in activation of Na+ channels and it need time 
to return back to it's original condition. 

 

Each nerve has got specific absolute RP, and this is important to limit the number of 
action potential generated by the neurons. 

 

 

Relative RP.

→ This period involve from third of 

repolarization

 to the end of 

repolarization. If we apply stimulus stronger than the original stimulus, the nerve 
will respond by new action potential, because the Na+ channels will open and can 

 

      

overcome the repolarization effects of the open K+ channels. 

 

 


background image

Dr.Suroor Mohamed 

 

 Physiology of Neuron & Muscle     

 

Lecture 

 

7

 

 

 

All or Non law of action potential

 

If we apply 

sub threshold 

stimulus for the nerve, we get 

no action 

potential because it is un able 

to bring RMP to firing level. But if we apply threshold stimulus, action potential will produced, 
and any increase in the stimulus, there is no change in the magnitude and shape or duration of 
action potential of the same nerve. The shape, magnitude, duration and amplitude of action 
potential is the same always all the same all the time and not change regardless to the strength 
of stimulus to the same nerve

 

If a stimulus 

is strong enough 

to generate an action potential 

(reaches threshold), the impulse is 

conducted

 along the entire length of the neuron at the 

same 

strength

 

Factors effecting the conduction velocity of nerve impulses

 

1)_Diameter of the axon

: which is directly proportional with the speed of conduction. 

 All peripheral nerves are mixed nerves ( the nerve contain many axons with different 
threshold levels and different diameter). 

Maximal stimulus: 

is the stimulus when applied to nerve it will stimulate all axons in 

the nerve. 

Compound action potential: 

Algebraic summation of all action potentials of all the 

axons in the mixed nerve. 


background image

Dr.Suroor Mohamed 

 

 Physiology of Neuron & Muscle     

 

Lecture 

 

8

 

 

2)_ Myelin sheath

: myelinated nerve is faster than un myelinated nerve because, myelin 

sheath is an insulator material, so the depolarization and repolarization will occur 
between two nods of Ranveir, the action potential in myelinated nerve will jump and 
called Saltotary conduction, while in un myelinated nerve the action potential will walk. 

3). Hypoxia 

( low O2 to the tissue) , it depress the conduction. 

4). Local anesthesia.

 

5). Temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thank you     

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 192 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل