สิ่งเร้าชนิดต่างๆ เช่น เสียง ความร้อน สารเคมี ที่มากระตุ้นหน่วยรับความรู้สึก จะถูกเปลี่ยนให้เป็นกระแสประสาท ซึ่งเป็นที่สงสัยของนักวิทยาศาสตร์มานานแล้ว จากการวิจัยของนักสรีรวิทยาหลายท่าน โดยเฉพาะ ฮอดจ์กิน (A. L. Hodgkin) และฮักซเลย์ (A. F. Huxley) ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปี พ.ศ. 2506 ทำให้ทราบว่ากระแสประสาทเกิดได้อย่างไร 

การเกิดกระแสประสาท

จากการทดลอง สามารถวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างภายในและภายนอกเซลล์ประสาทของหมึก พบว่ามีค่าประมาณ -70 มิลลิโวลต์ ซึ่งเป็นเยื่อเซลล์ระยะพัก (resting membrane potential) เยื่อหุ้มเซลล์มีโปรตีนทำหน้าที่ควบคุมการเข้าออกของไอออนบางชนิด เช่น Na+ เรียกว่า ช่องโซเดียม และ K+ เรียกว่า ช่องโพแทสเซียม

ขณะที่เซลล์ประสาทยังไม่ถูกกระตุ้น พบว่าสารละลายภายนอกเซลล์ Na+ สูงกว่าสารละลายภายในเซลล์ ขณะที่สารละลายภายในเซลล์มี K+ สูงกว่าสารละลายภายนอกเซลล์ การที่เซลล์สามารถดำรงความเข้มข้นของไอออนที่แตกต่างกันนี้ได้ เป็นเพราะอาศัยพลังงานจาก ATP ไปดัน Na+ ออกไปนอกเซลล์ทางช่องโซเดียม พร้อมกับดึง K+ เข้าไปในเซลล์ทางช่องโพแทสเซียมในอัตราส่วน 3Na+ : 2K+ เรียกกระบวนการนี้ว่า โซเดียมโพแทสเซียมปั๊ม (sodium-potassium pump)

นอกจากนี้ K+ ซึ่งสะสมอยู่ภายในเซลล์มากกว่าภายนอกเซลล์ สามารถรั่วออกมาจากเซลล์ประสาทได้บ้าง ประกอบกับภายในเซลล์ประสาทมีสารอินทรีย์ที่มีขนาดใหญ่ และไม่สามารถผ่านออกไปนอกเซลล์อยู่เป็นจำนวนมาก เช่น โปรตีน กรดนิวคลีอิก ซึ่งเป็นสารที่มีประจุลบ ดังนั้น การที่ K+ ออกนอกเซลล์ ซึ่งเป็นการเอาประจุบวกออกไปด้วยและภายในเซลล์มีประจุลบของสารอินทรีย์ จึงทำให้ภายในเซลล์มีผลรวมของประจุเป็นลบ

เมื่อมีสิ่งเร้ามากระตุ้นเซลล์ประสาทในระดับที่เซลล์สามารถตอบสนองได้ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของศักย์เยื่อเซลล์ คือ ทำให้ช่องโซเดียมเปิด Na+ จึงพรูเข้าไปในเซลล์มากขึ้น ภายในเซลล์จะเป็นลบน้อยลง และมีความเป็นบวกมากขึ้น ความต่างศักย์ที่เยื่อเซลล์จะเปลี่ยนจาก -70 มิลลิโวลต์ เป็น +50 มิลลิโวลต์ เรียกว่า ดีโพลาเรเซชัน (depolarization)

เมื่อ Na+ ผ่านเข้าไปในเซลล์สักครู่หนึ่ง ช่องโซเดียมจะปิด ขณะที่ช่องโพแทสเซียมจะเปิดทำให้ K+ พรูออกนอกเซลล์ได้ ทำให้เซลล์สูญเสียประจุบวก และภายในเซลล์เปลี่ยนเป็นประจุลบ เรียกว่า รีโพลารีชัน (repolarization) ความต่างศักย์จะเปลี่ยนกลับจาก +50 มิลลิโวลต์ เป็น -70 มิลลิโวลต์ และกลับสู่สภาพเดิม

การเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ดังกล่าวนี้ เรียกว่า แอกชันโพเทนเชียล (action potential) หรือการเกิดกระแสประสาท (nerve impulse) การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นตรงบริเวณที่ถูกกระตุ้น จะชักนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่บริเวณถัดไป ขณะที่บริเวณที่เกิดแอกชันโพเทนเชียลแล้ว จะกลับสู่สภาพศักย์เยื่อเซลล์ประสาทระยะพักอีกครั้งหนึ่ง เป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆ มีผลให้กระแสประสาทเคลื่อนที่ไปตามความยาวของใยประสาท แบบจุดต่อจุดต่อเนื่องกันของแอกซอนที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม

ความเร็วในการเคลื่อนที่ของกระแสประสาท

มีปัจจัยที่เกี่ยวข้อง ดังนี้

1. เยื่อไมอีลินในแอกซอนที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม การเคลื่อนที่ของกระแสประสาทจะเกิดขึ้นแบบจุดต่อจุดต่อเนื่องกัน (continuous conduction) กล่าวคือ เมื่อเซลล์ถูกกระตุ้นจะเกิดแอกชันโพแทนเชียล หรือเกิดกระแสประสาท โดยกระแสประสาทจะเคลื่อนที่จากจุดกระตุ้นไปตามแอกซอนอย่างต่อเนื่องไปเรื่อยๆ ความเร็วของกระแสประสาทที่เคลื่อนผ่านแอกซอนที่ไม่มีเยื่อไมอิลินหุ้มนั้น ประมาณ 12 เมตรต่อวินาท 

ขณะที่แอกซอนที่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม พบว่า กระแสประสาทจะเคลื่อนที่แบบกระโดด (salutatory conduction) ทําให้กระแสประสาทเคลื่อนที่ได้เร็วถึง120 เมตรต่อวินาที ทั้งนี้ เนื่องจากเยื่อไมอีลินที่ห่อหุ้มใยประสาทนั้น มีสมบัติเป็นฉนวนกั้นประจุไฟฟ้า ทําให้ประจุไฟฟ้าไม่สามารถผ่านเยื่อหุ้มเซลล์บริเวณที่มีเยื่อไมอิลินหุ้ม บริเวณดังกล่าวจึงไม่มีกระแสประสาท แต่จะเกิดเฉพาะบริเวณโนดออฟแรนเวียร์ กระแสประสาทจึงเคลื่อนที่แบบกระโดดจากโนดออฟแรนเวียร์หนึ่ง ไปยังโนดออฟแรนเวียร์หนึ่ง ทําให้กระแสประสาทที่เคลื่อนผ่านใยประสาทที่มีเยื่อไมอีลินหุ้มเคลื่อนที่ได้ด้วยความเร็วที่สูง กว่ากระแสประสาทที่เคลื่อนผ่านใยประสาทที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม

2. ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของใยประสาท นักวิทยาศาสตร์พบว่า ใยประสาทที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม กระแสประสาทจะเคลื่อนที่ผ่านใยประสาทที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ได้เร็วกว่าใยประสาทที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็ก เนื่องจากความต้านทานการเคลื่อนที่ของไอออนแปรผกผันกับพื้นที่ภาคตัดขวางของใยประสาท

3. ระยะห่างของโนดออฟเรนเวียร์ แอกซอนที่มีเยื่อไมอีลินหุ้มมีระยะห่างระหว่างโนดออฟแรนเวียร์ตั้งแต่ 200-2,000 ไมโครเมตร พบว่า ใยประสาทที่มีระยะห่างระหว่างโนดออฟแรนเวียร์มากกว่า จะช่วยให้กระแสสารทเคลื่อนที่ผ่านด้วยความเร็วสูงกว่าใยประสาทที่มีระยะห่างระหว่างโนดออฟแรนเวียร์น้อยกว่า

การถ่ายทอดกระแสประสาทระหว่างเซลล์ประสาท

บริเวณปลายแอกซอนของเซลล์ประสาทมีลักษณะโป่งออกเป็นกระเปาะ เรียกว่า ปุ่มไซแนปส์ (synaptic knob) ภายในมีถุงบรรจุของเหลวขนาดเล็ก (synaptic vesicle) จํานวนมาก ของเหลวภายในถุงก็คือสารสื่อประสาท (neurotransmitter) ที่ปลายแอกซอนจะมีไมโทคอนเดรียจํานวนมาก ทั้งนี้ เพื่อผลิตพลังงานไว้ใช้ในการส่งกระแสประสาท

เมื่อกระแสประสาทเคลื่อนที่จากจุดกระตุ้นมาถึงปลายแอกซอน ช่องแคลเซียมจะเปิดออก และ Ca2+ จะไหลเข้ามา และทําปฏิกิริยากับถุงเก็บสารสื่อประสาท ผลักให้มีการเคลื่อนตัวลงสู่บริเวณเยื่อหุ้มปลายประสาท และหลอมรวมกับเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อปลดปล่อยสารสื่อประสาทออกสู่ช่องไซแนปส์ (synaptic cleft) สารสื่อประสาทจะไปรวมตัวกับโปรตีน ซึ่งเป็นตัวรับที่เยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ประสาทหลังไซแนปส์ ทําให้มีกระแสประสาทที่เกิดขึ้นที่เดนไดร์ทของเซลล์ประสาทหลังไซแนปส์ แล้วถ่ายทอดไปยังตัวเซลล์

การถ่ายทอดกระแสประสาทจะเกิดขึ้นต่อเนื่องจนถึงปลายทาง และเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน คือ เคลื่อนที่ออกจากแอกซอนของเซลล์ประสาทก่อนไซแนปส์ไปยังเดนไดร์ท แล้วเข้าสู่ตัวเซลล์ประสาทของเซลล์ประสาทหลังไซแนปส์ต่อเนื่องกันไป 

จากการศึกษาพบว่า สารสื่อประสาทจะหลั่งออกมาจากปลายแอกซอนเท่านั้น ในเดนไดร์ทไม่มีสารสื่อประสาท จึงทําให้กระแสประสาทเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวเท่านั้น เมื่อการส่งกระแสประสาทสิ้นสุดลงแล้ว สารสื่อประสาทที่เหลืออยู่ในช่องไซแนปส์จะสลายตัวไป โดยการทํางานของเอนไซม์เฉพาะกับชนิดของสารสื่อประสาทนั้น สารที่ได้จากการสลายอาจจะถูกนํากลับไปสร้างสารสื่อประสาทใหม่ ขณะที่บางส่วนถูกกําจัดออกทางระบบหมุนเวียนเลือด สารสื่อประสาทมีหลายชนิด เช่น แอซิทิลโคลีน (acetylcholine) นอร์เอพิเนฟริน (norepinephrine) เอนดอร์ฟิน (endorphin) เป็นต้น ซึ่งสารสื่อประสาทที่พบมากที่สุดในสัตว์มีกระดูกสันหลัง คือ แอซิทิลโคลีน

พัดชา วิจิตรวงศ