জীবজগতের প্রতিটি চিন্তা, অনুভূতি এবং ঐচ্ছিক নড়াচড়ার মূলে রয়েছে একটি ন্যানোমিটার-পাতলা লিপিড মেমব্রেনের মধ্য দিয়ে ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র আয়নের প্রবাহ। একটি একক জীবতাত্ত্বিক নিউরন মূলত একটি নিখুঁত তড়িৎরাসায়নিক ব্যাটারি এবং ক্যাপাসিটিভ সার্কিট। এটিপি-চালিত আয়ন পাম্প এবং নির্বাচনী আয়ন চ্যানেলের সাহায্যে নিউরনের মেমব্রেন এক সূক্ষ্ম তাপগতিীয় অ-সাম্যাবস্থা বজায় রাখে, যা প্রায় $-70text{ mV}$-এর একটি বিশ্রামকালীন মেমব্রেন বিভব (Resting Membrane Potential) সঞ্চয় করে—যার ওপর ভিত্তি করে মানব মস্তিষ্কের সকল কম্পিউটেশন পরিচালিত হয়।

১. তড়িৎরাসায়নিক সাম্যাবস্থা ও নার্নস্ট সমীকরণ

নিউরনের মেমব্রেন দুটি তরল দ্রবণকে পৃথক করে রাখে: বহিঃকোষীয় তরল (যেখানে সোডিয়াম $text{Na}^+$ ও ক্লোরাইড $text{Cl}^-$ বেশি) এবং অন্তঃকোষীয় সাইটোসল (যেখানে পটাশিয়াম $text{K}^+$ এবং ঋণাত্মক প্রোটিন অ্যানায়ন $text{A}^-$ বেশি)। কোনো নির্দিষ্ট আয়ন যখন তার ঘনত্বের গ্রেডিয়েন্ট বরাবর ব্যাপিত হয়, তখন বিপরীতমুখী তড়িৎক্ষেত্রের আকর্ষণ তাকে বাধা দেয়।

যখন রাসায়নিক ব্যাপন বল এবং তড়িৎ বল পরস্পর সমান ও বিপরীতমুখী হয়, তখন তৈরি হয় নার্নস্ট রিভার্সাল বিভব। নার্নস্ট সমীকরণ (Nernst Equation) অনুসারে:

E_{text{ion}} = frac{RT}{zF} ln left( frac{[text{ion}]_o}{[text{ion}]_i} right)

এখানে $R$ হলো সার্বজনীন গ্যাস ধ্রুবক, $T$ পরম তাপমাত্রা, $z$ আয়নের যোজনী এবং $F$ ফ্যারাডে ধ্রুবক। স্তন্যপায়ী প্রাণীর দৈহিক তাপমাত্রায় ($37^circtext{C}$):

  • পটাশিয়াম ($text{K}^+$): $E_{text{K}} approx -90text{ mV}$
  • সোডিয়াম ($text{Na}^+$): $E_{text{Na}} approx +60text{ mV}$
  • ক্লোরাইড ($text{Cl}^-$): $E_{text{Cl}} approx -70text{ mV}$

২. গোল্ডম্যান-হজকিন-কাটজ (GHK) সমীকরণ

বাস্তবে মেমব্রেনটি একই সাথে একাধিক আয়নের জন্য ভেদ্য বা পারমিয়েবল। তাই সমগ্র মেমব্রেনের প্রকৃত বিভব কোনো একক নার্নস্ট বিভব দ্বারা নয়, বরং বিভিন্ন আয়নের ভেদ্যতা বা পারমিয়াবিলিটি $P_{text{ion}}$-এর সমন্বিত প্রভাব দ্বারা নির্ধারিত হয়। এটিই হলো বিখ্যাত গোল্ডম্যান-হজকিন-কাটজ (GHK) ভোল্টেজ সমীকরণ:

V_m = frac{RT}{F} ln left( frac{P_{text{K}}[text{K}^+]_o + P_{text{Na}}[text{Na}^+]_o + P_{text{Cl}}[text{Cl}^-]_i}{P_{text{K}}[text{K}^+]_i + P_{text{Na}}[text{Na}^+]_i + P_{text{Cl}}[text{Cl}^-]_o} right)

বিশ্রামকালীন অবস্থায় পটাশিয়াম লিক চ্যানেলের কারণে মেমব্রেনে পটাশিয়ামের ভেদ্যতা সোডিয়ামের তুলনায় অনেক গুণ বেশি থাকে ($P_{text{K}} gg P_{text{Na}}$)। ফলে নিউরনের বিশ্রামকালীন বিভব পটাশিয়ামের ইকুইলিব্রিয়াম বিভবের কাছাকাছি প্রায় $-70text{ mV}$-এ স্থির থাকে।

৩. মেমব্রেনের সমতুল্য বর্তনী (Equivalent Circuit)

ফসফোলিপিড বাইলেয়ার একটি অন্তরক বা ইনসুলেটর যা সমান্তরাল পাত ধারক বা ক্যাপাসিটরের মতো কাজ করে ($C_m approx 1,mutext{F/cm}^2$)। প্রতিটি আয়ন চ্যানেল পরিবর্তনশীল রোধ বা পরিবাহিতা ($g_k$) এবং তাদের ব্যাটারি ($E_k$)-এর সমন্বয়। কার্শফের সূত্রের সাহায্যে মেমব্রেন কারেন্ট প্রকাশ করা হয়:

I_m = C_m frac{dV_m}{dt} + sum_k g_k (V_m – E_k)

৪. সোডিয়াম-পটাশিয়াম এটিপি-এজ পাম্প

আয়নিক লিক কারেন্টের কারণে মেমব্রেনের এই ঘনত্বের পার্থক্য চিরতরে ক্ষয় হয়ে কোষের মৃত্যু হতে পারত। এই অবক্ষয় রুখতে নিউরন তার মোট মেটাবলিক শক্তির প্রায় ৫০% থেকে ৭০% ব্যয় করে $text{Na}^+/text{K}^+$ এটিপি-এজ পাম্প পরিচালনায়। প্রতিটি এটিপি অণু ভেঙে এই পাম্পটি ৩টি সোডিয়াম আয়ন বাইরে পাঠায় এবং ২টি পটাশিয়াম আয়ন ভেতরে প্রবেশ করায়, যা মস্তিষ্কের এই তড়িৎরাসায়নিক ব্যাটারিকে অবিরাম রিচার্জ করে রাখে।

শাকিল মাহমুদ সজল

শাকিল মাহমুদ সজল

সফটওয়্যার প্রকৌশলী ও লেখক, ঢাকা, বাংলাদেশ। কম্পিউটার বিজ্ঞান, পদার্থবিজ্ঞান, ইতিহাস ও ভাবনার সমন্বয়ে ব্যক্তিগত নোট ও প্রবন্ধ সংকলন।