Potencjał czynnościowy - Action potential

Gdy potencjał czynnościowy (impuls nerwowy) przemieszcza się w dół aksonu, następuje zmiana polaryzacji w poprzek błony aksonu. W odpowiedzi na sygnał z innego neuronu , kanały jonowe bramkowane sodem (Na + ) i potasem (K + ) otwierają się i zamykają, gdy błona osiąga swój potencjał progowy . Kanały Na + otwierają się na początku potencjału czynnościowego, a Na + przemieszcza się do aksonu, powodując depolaryzację . Repolaryzacja występuje, gdy kanały K + są otwarte, a K +wysuwa się z aksonu, powodując zmianę polaryzacji między zewnętrzną stroną komórki a jej wnętrzem. Impuls biegnie wzdłuż aksonu tylko w jednym kierunku, do końcówki aksonu, gdzie sygnalizuje innym neuronom.

W fizjologii An potencjału czynnościowego ( AP ) występuje, gdy potencjał błony specyficznej komórkowej lokalizacji gwałtownie rośnie i spada: to powoduje depolaryzację, a następnie do miejsca obok podobnie depolaryzacji. Potencjał działania występuje w wielu rodzajach komórek zwierzęcych , zwanych pobudliwe komórki, w tym neurony , komórki mięśniowe , endokrynnych komórek i w niektórych komórkach roślinnych .

W neuronach potencjały czynnościowe odgrywają kluczową rolę w komunikacji między komórkami , zapewniając lub w odniesieniu do przewodnictwa słonego , wspomagając propagację sygnałów wzdłuż aksonu neuronu w kierunku guzków synaptycznych znajdujących się na końcach aksonu; sygnały te mogą następnie łączyć się z innymi neuronami w synapsach lub z komórkami motorycznymi lub gruczołami. W innych typach komórek ich główną funkcją jest aktywacja procesów wewnątrzkomórkowych. Na przykład w komórkach mięśniowych potencjał czynnościowy jest pierwszym krokiem w łańcuchu zdarzeń prowadzących do skurczu. W beta komórkach tych trzustki , powodują one uwalnianie insuliny . Potencjały czynnościowe w neuronach są również znane jako „ impulsy nerwowe ” lub „ kolce ”, a sekwencja czasowa potencjałów czynnościowych generowanych przez neuron nazywana jest „ kolejką kolców ”. Często mówi się, że neuron, który emituje potencjał czynnościowy lub impuls nerwowy, „odpala”.

Potencjały czynnościowe są generowane za pomocą specjalnych rodzajów kanałów jonowych bramkowanych napięciem osadzonych w celi w błonie komórkowej . Kanały te są zamykane, gdy potencjał błonowy jest zbliżony do (ujemnego) potencjału spoczynkowego komórki, ale szybko zaczynają się otwierać, gdy potencjał błonowy wzrasta do precyzyjnie określonego napięcia progowego, depolaryzując potencjał przezbłonowy. Kiedy kanały się otwierają, umożliwiają przepływ jonów sodu do wewnątrz , co zmienia gradient elektrochemiczny, co z kolei powoduje dalszy wzrost potencjału błonowego w kierunku zera. To z kolei powoduje otwarcie większej liczby kanałów, wytwarzając większy prąd elektryczny przez błonę komórkową i tak dalej. Proces przebiega w sposób wybuchowy, aż wszystkie dostępne kanały jonowe zostaną otwarte, co skutkuje dużym wzrostem potencjału błonowego. Gwałtowny napływ jonów sodu powoduje odwrócenie polaryzacji błony plazmatycznej, a następnie szybkie dezaktywowanie kanałów jonowych. Gdy kanały sodowe się zamykają, jony sodu nie mogą już wnikać do neuronu, a następnie są aktywnie transportowane z powrotem z błony komórkowej. Następnie aktywowane są kanały potasowe i następuje wypływ jonów potasu, przywracając gradient elektrochemiczny do stanu spoczynku. Po pojawieniu się potencjału czynnościowego następuje przejściowe przesunięcie ujemne, zwane pohiperpolaryzacją .

W komórkach zwierzęcych istnieją dwa podstawowe typy potencjałów czynnościowych. Jeden typ jest generowany przez kanały sodowe bramkowane napięciem , drugi przez kanały wapniowe bramkowane napięciem . Potencjały czynnościowe na bazie sodu zwykle trwają poniżej jednej milisekundy, ale potencjały czynnościowe na bazie wapnia mogą trwać 100 milisekund lub dłużej. W niektórych typach neuronów powolne skoki wapnia zapewniają siłę napędową dla długiej serii szybko emitowanych skoków sodu. Z drugiej strony, w komórkach mięśnia sercowego , początkowy szybki skok sodu zapewnia „podkład” wywołujący szybki początek skoku wapnia, który następnie powoduje skurcz mięśni.

Przegląd

Kształt typowego potencjału czynnościowego. Potencjał błonowy pozostaje blisko poziomu wyjściowego, aż w pewnym momencie gwałtownie wzrasta, a następnie gwałtownie spada.

Prawie wszystkie błony komórkowe zwierząt, roślin i grzybów utrzymują różnicę napięć między zewnętrzną i wewnętrzną stroną komórki, zwaną potencjałem błonowym . Typowe napięcie na błonie komórkowej zwierzęcia wynosi -70 mV. Oznacza to, że wnętrze ogniwa ma ujemne napięcie w stosunku do zewnętrza. W większości typów komórek potencjał błonowy zwykle pozostaje dość stały. Niektóre typy ogniw są jednak aktywne elektrycznie w tym sensie, że ich napięcie zmienia się w czasie. W niektórych typach komórek aktywnych elektrycznie, w tym w neuronach i komórkach mięśniowych, wahania napięcia często przybierają postać gwałtownego skoku w górę, po którym następuje gwałtowny spadek. Te cykle w górę iw dół są znane jako potencjały czynnościowe . W niektórych typach neuronów cały cykl w górę iw dół odbywa się w ciągu kilku tysięcznych sekundy. W komórkach mięśniowych typowy potencjał czynnościowy trwa około jednej piątej sekundy. W niektórych innych typach komórek i roślin potencjał czynnościowy może trwać trzy sekundy lub dłużej.

Właściwości elektryczne komórki są określone przez strukturę otaczającej ją błony. Błona komórkowa składa się z dwuwarstwy lipidowej z cząsteczek, w których większe cząsteczki białkowe są osadzone. Podwójna warstwa lipidowa jest wysoce odporna na ruch jonów naładowanych elektrycznie, dzięki czemu pełni funkcję izolatora. Natomiast duże białka osadzone w błonie zapewniają kanały, przez które jony mogą przechodzić przez błonę. Potencjały czynnościowe są napędzane przez białka kanałowe, których konfiguracja przełącza się między stanami zamkniętymi i otwartymi w zależności od różnicy napięć między wnętrzem i otoczeniem komórki. Te wrażliwe na napięcie białka są znane jako kanały jonowe bramkowane napięciem .

Proces w typowym neuronie

Przybliżony wykres typowego potencjału czynnościowego pokazuje jego różne fazy, gdy potencjał czynnościowy przechodzi przez punkt na błonie komórkowej . Potencjał błonowy zaczyna się od około -70 mV w czasie zero. Bodziec jest stosowany w czasie = 1 ms, co podnosi potencjał błonowy powyżej -55 mV (potencjał progowy). Po przyłożeniu bodźca potencjał błonowy gwałtownie wzrasta do potencjału szczytowego +40 mV w czasie = 2 ms. Równie szybko potencjał spada i przeskakuje do -90 mV w czasie = 3 ms, a na koniec potencjał spoczynkowy -70 mV jest ponownie ustalany w czasie = 5 ms.

Wszystkie komórki w tkankach zwierzęcych są elektrycznie spolaryzowana - innymi słowy, utrzymują one różnicę napięcia na komórki błony komórkowej , znanej jako potencjału błonowego . Ta polaryzacja elektryczna wynika ze złożonej interakcji między strukturami białkowymi osadzonymi w błonie zwanymi pompami jonowymi i kanałami jonowymi . W neuronach typy kanałów jonowych w błonie zwykle różnią się w różnych częściach komórki, nadając dendrytom , aksonom i ciału komórki różne właściwości elektryczne. W rezultacie niektóre części błony neuronu mogą być pobudliwe (zdolne do generowania potencjałów czynnościowych), podczas gdy inne nie. Ostatnie badania wykazały, że najbardziej pobudliwa część neuronu to część za wzgórkiem aksonu (punkt, w którym akson opuszcza ciało komórki), który nazywa się początkowym segmentem, ale w większości przypadków akson i ciało komórki są również pobudliwe .

Każdy pobudliwy fragment błony ma dwa ważne poziomy potencjału błony: potencjał spoczynkowy , który jest wartością, którą potencjał błonowy utrzymuje, dopóki nic nie zakłóci komórki, oraz wyższy poziom zwany potencjałem progowym . Na wzgórku aksonu typowego neuronu potencjał spoczynkowy wynosi około –70 miliwoltów (mV), a potencjał progowy około –55 mV. Wejścia synaptyczne do neuronu powodują depolaryzację lub hiperpolaryzację błony ; to znaczy powodują wzrost lub spadek potencjału błonowego. Potencjały czynnościowe są wyzwalane, gdy gromadzi się wystarczająca depolaryzacja, aby doprowadzić potencjał błonowy do wartości progowej. Kiedy zostaje wyzwolony potencjał czynnościowy, potencjał błonowy gwałtownie wystrzeliwuje w górę, a następnie równie gwałtownie wystrzeliwuje w dół, często kończąc się poniżej poziomu spoczynkowego, gdzie pozostaje przez pewien czas. Kształt potencjału czynnościowego jest stereotypowy; oznacza to, że wzrost i spadek mają zwykle w przybliżeniu taką samą amplitudę i przebieg w czasie dla wszystkich potencjałów czynnościowych w danej komórce. (Wyjątki omówiono w dalszej części artykułu). W większości neuronów cały proces trwa około jednej tysięcznej sekundy. Wiele typów neuronów stale emituje potencjały czynnościowe z szybkością do 10-100 na sekundę. Jednak niektóre typy są znacznie cichsze i mogą trwać minuty lub dłużej bez emitowania potencjałów czynnościowych.

Podstawa biofizyczna

Potencjały czynnościowe wynikają z obecności w błonie komórki specjalnych typów kanałów jonowych bramkowanych napięciem . Kanał jonowy bramkowany napięciem to białko transbłonowe, które ma trzy kluczowe właściwości:

  1. Jest w stanie przyjąć więcej niż jedną konformację.
  2. Co najmniej jedna z konformacji tworzy kanał przez błonę, który jest przepuszczalny dla określonych typów jonów.
  3. Na przejście między konformacjami wpływa potencjał błonowy.

Tak więc, bramkowany napięciem kanał jonowy ma tendencję do bycia otwartym dla niektórych wartości potencjału błonowego i zamkniętym dla innych. Jednak w większości przypadków związek między potencjałem błonowym a stanem kanału jest probabilistyczny i obejmuje opóźnienie czasowe. Kanały jonowe przełączają się między konformacjami w nieprzewidywalnym czasie: Potencjał błonowy określa szybkość przejść i prawdopodobieństwo na jednostkę czasu każdego rodzaju przejścia.

Propagacja potencjału czynnościowego wzdłuż aksonu

Kanały jonowe bramkowane napięciem są zdolne do wytwarzania potencjałów czynnościowych, ponieważ mogą powodować powstawanie pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego: Potencjał błony kontroluje stan kanałów jonowych, ale stan kanałów jonowych kontroluje potencjał błony. Tak więc w niektórych sytuacjach wzrost potencjału błonowego może spowodować otwarcie kanałów jonowych, powodując w ten sposób dalszy wzrost potencjału błonowego. Potencjał czynnościowy pojawia się, gdy ten cykl pozytywnego sprzężenia zwrotnego ( cykl Hodgkina ) przebiega gwałtownie. Trajektoria czasu i amplitudy potencjału czynnościowego jest określona przez biofizyczne właściwości bramkowanych napięciem kanałów jonowych, które go wytwarzają. Istnieje kilka rodzajów kanałów zdolnych do wytworzenia pozytywnego sprzężenia zwrotnego niezbędnego do wygenerowania potencjału czynnościowego. Kanały sodowe bramkowane napięciem są odpowiedzialne za szybkie potencjały czynnościowe zaangażowane w przewodnictwo nerwowe. Wolniejsze potencjały czynnościowe w komórkach mięśniowych i niektórych typach neuronów są generowane przez kanały wapniowe bramkowane napięciem. Każdy z tych typów występuje w wielu wariantach, o różnej wrażliwości na napięcie i różnej dynamice czasowej.

Najintensywniej badanym typem zależnych od napięcia kanałów jonowych są kanały sodowe zaangażowane w szybkie przewodnictwo nerwowe. Są one czasami znane jako kanały sodowe Hodgkina-Huxleya, ponieważ po raz pierwszy zostały scharakteryzowane przez Alana Hodgkina i Andrew Huxleya w nagrodzonych Nagrodą Nobla badaniach biofizyki potencjału czynnościowego, ale wygodniej można je nazwać kanałami Na V. ("V" oznacza "napięcie"). Kanał Na V ma trzy możliwe stany, znane jako dezaktywowany , aktywny i nieaktywny . Kanał jest przepuszczalny tylko dla jonów sodu w stanie aktywnym . Gdy potencjał błonowy jest niski, kanał spędza większość czasu w stanie dezaktywowanym (zamkniętym). Jeśli potencjał błonowy jest podniesiony powyżej pewnego poziomu, kanał wykazuje zwiększone prawdopodobieństwo przejścia w stan aktywny (otwarty). Im wyższy potencjał błonowy, tym większe prawdopodobieństwo aktywacji. Gdy kanał zostanie aktywowany, ostatecznie przejdzie do stanu nieaktywnego (zamkniętego). Następnie ma tendencję do pozostawania w stanie nieaktywnym przez pewien czas, ale jeśli potencjał błonowy ponownie spadnie, kanał w końcu powróci do stanu dezaktywacji . Podczas potencjału czynnościowego większość kanałów tego typu przechodzi cykl dezaktywacjaaktywacjadezaktywacjadezaktywacja . Jest to jednak tylko przeciętne zachowanie populacji – pojedynczy kanał może w zasadzie dokonać dowolnej zmiany w dowolnym momencie. Jednak prawdopodobieństwo przejścia kanału ze stanu nieaktywnego bezpośrednio do stanu aktywowanego jest bardzo niskie: kanał w stanie nieaktywnym jest oporny, dopóki nie powróci do stanu nieaktywnego .

Wynikiem tego wszystkiego jest to, że kinetyka kanałów Na V jest rządzona przez macierz przejścia, której szybkości są w skomplikowany sposób zależne od napięcia. Ponieważ te kanały same odgrywają główną rolę w określaniu napięcia, globalna dynamika systemu może być dość trudna do obliczenia. Hodgkin i Huxley podeszli do tego problemu, opracowując zestaw równań różniczkowych dla parametrów, które rządzą stanami kanałów jonowych, znanych jako równania Hodgkina-Huxleya . Równania te zostały w znacznym stopniu zmodyfikowane przez późniejsze badania, ale stanowią punkt wyjścia dla większości teoretycznych badań biofizyki potencjału czynnościowego.

Ruch jonów podczas potencjału czynnościowego.
Klucz: a ) Jon sodu (Na + ). b ) Jon potasu (K + ). c) Kanał sodowy. d) Kanał potasowy. e) Pompa sodowo-potasowa.
Na etapach potencjału czynnościowego zmienia się przepuszczalność błony neuronu. W stanie spoczynku (1) jony sodu i potasu mają ograniczoną zdolność przechodzenia przez błonę, a neuron ma wewnątrz ujemny ładunek netto. Po wyzwoleniu potencjału czynnościowego, depolaryzacja (2) neuronu aktywuje kanały sodowe, umożliwiając przechodzenie jonów sodu przez błonę komórkową do komórki, co skutkuje dodatnim ładunkiem netto w neuronie w stosunku do płynu pozakomórkowego. Po osiągnięciu szczytu potencjału czynnościowego neuron rozpoczyna repolaryzację (3), w której kanały sodowe zamykają się, a kanały potasowe otwierają, umożliwiając jonom potasu przejście przez błonę do płynu pozakomórkowego, przywracając potencjał błonowy do wartości ujemnej. Wreszcie następuje okres refrakcji (4), podczas którego zależne od napięcia kanały jonowe są dezaktywowane, podczas gdy jony Na + i K + powracają do swoich rozkładów w stanie spoczynku przez błonę (1), a neuron jest gotowy do powtórzenia proces dla następnego potencjału czynnościowego.

Wraz ze wzrostem potencjału błonowego otwierają się kanały jonów sodowych , umożliwiając wnikanie jonów sodowych do komórki. Po tym następuje otwarcie kanałów jonów potasu, które umożliwiają wychodzenie jonów potasu z komórki. Wewnętrzny przepływ jonów sodu zwiększa stężenie dodatnio naładowanych kationów w komórce i powoduje depolaryzację, gdzie potencjał komórki jest wyższy niż potencjał spoczynkowy komórki . Kanały sodowe zamykają się w szczycie potencjału czynnościowego, podczas gdy potas nadal opuszcza komórkę. Wypływ jonów potasu zmniejsza potencjał błonowy lub powoduje hiperpolaryzację komórki. W przypadku niewielkich wzrostów napięcia po spoczynku prąd potasu przekracza prąd sodu i napięcie powraca do normalnej wartości spoczynkowej, zwykle -70 mV. Jeśli jednak napięcie wzrośnie powyżej krytycznego progu, zwykle 15 mV powyżej wartości spoczynkowej, dominuje prąd sodowy. Powoduje to niekontrolowany stan, w którym dodatnie sprzężenie zwrotne z prądu sodowego aktywuje jeszcze więcej kanałów sodowych. W ten sposób komórka zapala się , wytwarzając potencjał czynnościowy. Częstotliwość, z jaką neuron wywołuje potencjały czynnościowe, jest często określana jako szybkość odpalania lub szybkość odpalania neuronów .

Prądy wytwarzane przez otwieranie kanałów bramkowanych napięciem w trakcie potencjału czynnościowego są zazwyczaj znacznie większe niż początkowy prąd stymulujący. Zatem amplituda, czas trwania i kształt potencjału czynnościowego są w dużej mierze determinowane przez właściwości błony pobudliwej, a nie amplitudę lub czas trwania bodźca. To wszystko albo nic własność zbiorów potencjalnych działaniach oprócz zakwalifikowanych potencjałów takich jak potencjałów receptorowych , potencjałów elektrotoniczną , potencjału błonowego podprogowej oscylacji i potencjałów synaptycznych , których skala z wielkością bodźca. Różne typy potencjału czynnościowego istnieją w wielu typach komórek i przedziałach komórek, co jest określone przez typy kanałów bramkowanych napięciem, kanały wyciekowe , rozkład kanałów, stężenia jonów, pojemność membrany, temperaturę i inne czynniki.

Głównymi jonami biorącymi udział w potencjale czynnościowym są kationy sodu i potasu; Jony sodu dostają się do komórki, a jony potasu opuszczają, przywracając równowagę. Stosunkowo niewiele jonów musi przejść przez membranę, aby napięcie membrany zmieniło się drastycznie. Jony wymieniane podczas potencjału czynnościowego powodują zatem nieznaczną zmianę wewnętrznych i zewnętrznych stężeń jonów. Nieliczne jony, które się krzyżują, są ponownie wypompowywane dzięki ciągłemu działaniu pompy sodowo-potasowej , która wraz z innymi transporterami jonów utrzymuje normalny stosunek stężeń jonów przez błonę. Kationy wapnia i aniony chlorkowe biorą udział w kilku typach potencjałów czynnościowych, takich jak potencjał czynnościowy serca i potencjał czynnościowy u jednokomórkowego glonu Acetabularia .

Chociaż potencjały czynnościowe są generowane lokalnie na płatach pobudliwej błony, powstałe prądy mogą wyzwalać potencjały czynnościowe na sąsiednich odcinkach błony, powodując propagację podobną do domina. W przeciwieństwie do biernego rozprzestrzeniania się potencjałów elektrycznych (potencjału elektrotonicznego ), potencjały czynnościowe są generowane na nowo wzdłuż pobudliwych odcinków błony i rozprzestrzeniają się bez zaniku. Zmielinizowane odcinki aksonów nie są pobudliwe i nie wytwarzają potencjałów czynnościowych, a sygnał jest propagowany pasywnie jako potencjał elektrotoniczny . Regularnie rozmieszczone niezmielinizowane łaty, zwane węzłami Ranviera , generują potencjały czynnościowe w celu wzmocnienia sygnału. Ten typ propagacji sygnału, znany jako przewodnictwo solne , zapewnia korzystny kompromis prędkości sygnału i średnicy aksonów. Ogólnie rzecz biorąc, depolaryzacja zakończeń aksonów wyzwala uwalnianie neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej . Ponadto w dendrytach neuronów piramidalnych , które są wszechobecne w korze nowej , odnotowano wsteczną propagację potencjałów czynnościowych . Uważa się, że odgrywają one rolę w plastyczności zależnej od czasu skoku .

W modelu pojemności membran Hodgkina-Huxleya prędkość transmisji potencjału czynnościowego była nieokreślona i założono, że sąsiednie obszary uległy depolaryzacji w wyniku interferencji uwolnionych jonów z sąsiednimi kanałami. Pomiary dyfuzji i promieni jonów wykazały od tego czasu, że nie jest to możliwe. Co więcej, sprzeczne pomiary zmian entropii i czasu zakwestionowały samodzielny model pojemności. Alternatywnie, hipoteza adsorpcji Gilberta Linga zakłada, że ​​potencjał błonowy i potencjał czynnościowy żywej komórki wynika z adsorpcji ruchomych jonów w miejscach adsorpcji komórek.

Dojrzewanie właściwości elektrycznych potencjału czynnościowego

A neuron „s zdolność do generowania i propagować potencjał czynnościowy zmiany podczas rozwoju . To, jak bardzo zmienia się potencjał błonowy neuronu w wyniku impulsu prądowego, jest funkcją rezystancji wejściowej błony . W miarę wzrostu komórki do błony dodawanych jest więcej kanałów , co powoduje spadek oporu wejściowego. Dojrzały neuron podlega również krótszym zmianom potencjału błonowego w odpowiedzi na prądy synaptyczne. Neurony z jądra kolankowatego bocznego fretki mają dłuższą stałą czasową i większe odchylenie napięcia w P0 niż w P30. Jedną z konsekwencji skracającego się czasu trwania potencjału czynnościowego jest to, że wierność sygnału może być zachowana w odpowiedzi na stymulację o wysokiej częstotliwości. Niedojrzałe neurony są bardziej podatne na depresję synaptyczną niż wzmocnienie po stymulacji wysokiej częstotliwości.

We wczesnym rozwoju wielu organizmów potencjał czynnościowy jest faktycznie początkowo przenoszony przez prąd wapniowy, a nie prąd sodowy . Otwierania i zamykania kinetyka kanałów wapniowych w czasie rozwoju są wolniejsze niż kanałów bramkowanych napięciem sodu ciàgach potencjału czynnościowego w dojrzałych neuronów. Dłuższe czasy otwarcia kanałów wapniowych mogą prowadzić do potencjałów czynnościowych, które są znacznie wolniejsze niż w dojrzałych neuronach. Neurony Xenopus początkowo mają potencjały czynnościowe trwające 60–90 ms. Podczas rozwoju czas ten zmniejsza się do 1 ms. Istnieją dwa powody tego drastycznego spadku. Po pierwsze, prąd do wewnątrz jest przenoszony głównie przez kanały sodowe. Po drugie, prostownik opóźniony , prąd w kanale potasowym , zwiększa się do 3,5-krotności swojej początkowej mocy.

Aby przejście od potencjału czynnościowego zależnego od wapnia do potencjału czynnościowego zależnego od sodu nastąpiło, należy dodać do błony nowe kanały. Jeśli neurony Xenopus są hodowane w środowisku z inhibitorami syntezy RNA lub syntezy białek , to przejście jest zapobiegane. Nawet aktywność elektryczna samej komórki może odgrywać rolę w ekspresji kanałowej. Jeśli potencjały czynnościowe w miocytach Xenopus są zablokowane, typowy wzrost gęstości prądu sodu i potasu jest zahamowany lub opóźniony.

To dojrzewanie właściwości elektrycznych obserwuje się w różnych gatunkach. Prądy sodowe i potasowe Xenopusa drastycznie wzrastają po przejściu neuronu przez ostatnią fazę mitozy . Gęstość prądu sodu w neuronach kory mózgowej szczura wzrasta o 600% w ciągu pierwszych dwóch tygodni po urodzeniu.

Neuroprzekaźnictwo

Anatomia neuronu

Struktura typowego neuronu
Neuron

Kilka typów komórek obsługuje potencjał czynnościowy, takie jak komórki roślinne, komórki mięśniowe i wyspecjalizowane komórki serca (w których występuje potencjał czynnościowy serca ). Jednak główną pobudliwą komórką jest neuron , który również ma najprostszy mechanizm działania potencjału.

Neurony są komórkami pobudliwymi elektrycznie, złożonymi ogólnie z jednego lub więcej dendrytów, pojedynczej somy , pojedynczego aksonu i jednego lub więcej zakończeń aksonu . Dendryty to wypustki komórkowe, których podstawową funkcją jest odbieranie sygnałów synaptycznych. Ich występy, znane jako kolce dendrytyczne , mają na celu wychwytywanie neuroprzekaźników uwalnianych przez neuron presynaptyczny. Posiadają wysokie stężenie kanałów jonowych bramkowanych ligandami . Te kolce mają cienką szyjkę łączącą bulwiasty występ z dendrytem. Dzięki temu zmiany zachodzące wewnątrz kręgosłupa z mniejszym prawdopodobieństwem wpływają na sąsiednie kręgosłupy. Kręgosłup dendrytyczny może, z rzadkimi wyjątkami (patrz LTP ), działać jako niezależna jednostka. Dendryty rozciągają się od somy, w której znajduje się jądro i wiele „normalnych” organelli eukariotycznych . W przeciwieństwie do kolców, powierzchnia somy jest wypełniona kanałami jonowymi aktywowanymi napięciem. Kanały te pomagają przesyłać sygnały generowane przez dendryty. Z somy wyłania się pagórek aksonu . Region ten charakteryzuje się bardzo dużą koncentracją kanałów sodowych aktywowanych napięciem. Ogólnie uważa się, że jest to strefa inicjacji iglicy dla potencjałów czynnościowych, tj . strefa wyzwalania . Zbiegają się tu liczne sygnały generowane w kolcach i przekazywane przez somę. Zaraz po pagórku aksonu znajduje się akson. Jest to cienka rurkowata wypustka oddalająca się od somy. Akson jest izolowany osłonką mielinową . Mielina składa się z komórek Schwanna (w obwodowym układzie nerwowym) lub oligodendrocytów (w ośrodkowym układzie nerwowym), które są typami komórek glejowych . Chociaż komórki glejowe nie biorą udziału w przekazywaniu sygnałów elektrycznych, komunikują się i zapewniają ważne wsparcie biochemiczne neuronom. Mówiąc konkretnie, mielina wielokrotnie owija się wokół segmentu aksonów, tworząc grubą warstwę tłuszczową, która zapobiega przedostawaniu się jonów lub ucieczce z aksonu. Ta izolacja zapobiega znacznemu zanikowi sygnału, a także zapewnia większą prędkość sygnału. Ta izolacja ma jednak ograniczenie polegające na tym, że na powierzchni aksonu nie mogą występować żadne kanały. Istnieją zatem regularnie rozmieszczone płaty membrany, które nie mają izolacji. Te węzły Ranviera można uznać za „mini pagórki aksonów”, ponieważ ich celem jest wzmocnienie sygnału, aby zapobiec znacznemu zanikowi sygnału. Na najdalszym końcu akson traci izolację i zaczyna rozgałęziać się na kilka końcówek aksonów . Te presynaptyczne zakończenia lub guziczki synaptyczne są wyspecjalizowanym obszarem w aksonie komórki presynaptycznej, który zawiera neuroprzekaźniki zamknięte w małych kuleczkach związanych z błoną, zwanych pęcherzykami synaptycznymi .

Inicjacja

Przed rozważeniem propagacji potencjałów czynnościowych wzdłuż aksonów i ich zakończenia na guzkach synaptycznych, warto rozważyć metody, za pomocą których można zainicjować potencjały czynnościowe na wzgórku aksonów . Podstawowym wymaganiem jest, aby napięcie membrany na wzniesieniu było podniesione powyżej progu strzelania. Ta depolaryzacja może nastąpić na kilka sposobów.

Aksony pre- i postsynaptyczne są oddzielone niewielką odległością znaną jako szczelina synaptyczna.  Neuroprzekaźnik uwalniany przez presynaptyczne aksony dyfunduje przez klucz synaptyczny, aby wiązać się i otwierać kanały jonowe w postsynaptycznych aksonach.
Gdy potencjał czynnościowy dociera do końca aksonu presynaptycznego (u góry), powoduje uwolnienie cząsteczek neuroprzekaźnika , które otwierają kanały jonowe w neuronie postsynaptycznym (u dołu). Połączone pobudzające i hamujące postsynaptyczne potencjały takich wejść mogą zapoczątkować nowy potencjał czynnościowy w neuronie postsynaptycznym.

Dynamika

Potencjały czynnościowe są najczęściej inicjowane przez pobudzające potencjały postsynaptyczne z neuronu presynaptycznego. Zazwyczaj cząsteczki neuroprzekaźników są uwalniane przez neuron presynaptyczny . Te neuroprzekaźniki następnie wiążą się z receptorami na komórce postsynaptycznej. Wiązanie to otwiera różne typy kanałów jonowych . To otwarcie ma dalszy wpływ na zmianę lokalnej przepuszczalności błony komórkowej, a tym samym potencjału błony. Jeśli wiązanie zwiększa napięcie (depolaryzuje błonę), synapsa jest pobudzająca. Jeśli jednak wiązanie obniża napięcie (hiperpolaryzuje błonę), to działa hamująco. Niezależnie od tego, czy napięcie jest zwiększane, czy zmniejszane, zmiana propaguje się pasywnie do pobliskich obszarów membrany (zgodnie z równaniem kabla i jego udoskonaleniami). Zazwyczaj bodziec napięciowy zanika wykładniczo wraz z odległością od synapsy iz czasem od związania neuroprzekaźnika. Pewna część napięcia wzbudzającego może dotrzeć do wzgórka aksonu i może (w rzadkich przypadkach) depolaryzować błonę na tyle, aby wywołać nowy potencjał czynnościowy. Bardziej typowo, potencjały pobudzające od kilku synaps muszą współpracować w niemal tym samym czasie , aby sprowokować nowy potencjał czynnościowy. Ich wspólne wysiłki mogą jednak zostać udaremnione przez przeciwdziałanie hamującym potencjałom postsynaptycznym .

Neuroprzekaźnictwo może również zachodzić poprzez synapsy elektryczne . Ze względu na bezpośrednie połączenie między komórkami pobudliwymi w postaci połączeń szczelinowych , potencjał czynnościowy może być przesyłany bezpośrednio z jednej komórki do drugiej w dowolnym kierunku. Swobodny przepływ jonów między komórkami umożliwia szybką transmisję bez pośrednictwa chemicznego. Kanały prostownicze zapewniają, że potencjały czynnościowe poruszają się tylko w jednym kierunku przez synapsę elektryczną. Synapsy elektryczne znajdują się we wszystkich układach nerwowych, w tym w ludzkim mózgu, chociaż stanowią wyraźną mniejszość.

Zasada „wszystko albo nic”

Amplituda potencjału czynnościowego jest niezależny od ilości prądu, że on wyprodukowany. Innymi słowy, większe prądy nie tworzą większych potencjałów czynnościowych. Dlatego mówi się, że potencjały czynnościowe są sygnałami typu „ wszystko albo nic” , ponieważ albo występują w pełni, albo wcale. Jest to przeciwieństwo potencjałów receptorowych , których amplitudy zależą od intensywności bodźca. W obu przypadkach częstotliwość potencjałów czynnościowych jest skorelowana z intensywnością bodźca.

Neurony czuciowe

W neuronach czuciowych sygnał zewnętrzny, taki jak ciśnienie, temperatura, światło lub dźwięk, jest sprzężony z otwieraniem i zamykaniem kanałów jonowych , co z kolei zmienia przepuszczalność jonową błony i jej napięcie. Te zmiany napięcia mogą być ponownie pobudzające (depolaryzujące) lub hamujące (hiperpolaryzujące), aw niektórych neuronach czuciowych ich połączone efekty mogą depolaryzować wzgórek aksonu na tyle, aby wywołać potencjały czynnościowe. Niektóre przykłady u ludzi obejmują neuron receptora węchowego i ciałko Meissnera , które są krytyczne odpowiednio dla zmysłu węchu i dotyku . Jednak nie wszystkie neurony czuciowe przekształcają swoje zewnętrzne sygnały w potencjały czynnościowe; niektórzy nie mają nawet aksonu. Zamiast tego mogą przekształcić sygnał w uwolnienie neuroprzekaźnika lub w ciągłe stopniowane potencjały , z których każdy może stymulować kolejne neurony do wyzwalania potencjału czynnościowego. Dla ilustracji, w ludzkim uchu , komórki rzęsate konwersji przychodzącego dźwiękowych do otwierania i zamykania zamkniętych mechanicznie kanałów jonowych , które mogą powodować neuroprzekaźników cząsteczek zwolnione. Podobnie w siatkówce ludzkiej początkowe komórki fotoreceptorowe i następna warstwa komórek (zawierająca komórki dwubiegunowe i komórki poziome ) nie wytwarzają potencjałów czynnościowych; tylko niektóre komórki amakrynowe i trzecia warstwa, komórki zwojowe , wytwarzają potencjały czynnościowe, które następnie przemieszczają się w górę nerwu wzrokowego .

Potencjał rozrusznika

Wykres potencjału czynnościowego (mV) w funkcji czasu.  Potencjał błonowy początkowo wynosi -60 mV, rośnie stosunkowo powoli do potencjału progowego -40 mV, a następnie szybko osiąga potencjał +10 mV, po czym szybko powraca do wyjściowego potencjału -60 mV.  Cykl jest następnie powtarzany.
W potencjałach stymulatora komórka spontanicznie depolaryzuje się (linia prosta o nachyleniu w górę), aż wystrzeli potencjał czynnościowy.

W neuronach czuciowych potencjały czynnościowe wynikają z bodźca zewnętrznego. Jednak niektóre pobudliwe komórki nie wymagają takiego bodźca do odpalenia: spontanicznie depolaryzują swój potencjał czynnościowy wzgórka aksonów i potencjał działania ognia w regularnym tempie, jak wewnętrzny zegar. Ślady napięcia takich komórek są znane jako potencjały stymulatora . W rozrusznikiem serca komórki węzeł zatokowo-przedsionkowy w sercu stanowią dobry przykład. Chociaż takie potencjały stymulatora mają naturalny rytm , można go regulować za pomocą bodźców zewnętrznych; na przykład, częstość akcji serca może być zmieniana przez leki, a także sygnały z nerwów współczulnych i przywspółczulnych . Bodźce zewnętrzne nie powodują powtarzających się impulsów w komórce, a jedynie zmieniają jej czas. W niektórych przypadkach regulacja częstotliwości może być bardziej złożona, prowadząc do wzorców potencjałów czynnościowych, takich jak pękanie .

Fazy

Przebieg potencjału czynnościowego można podzielić na pięć części: fazę wznoszącą, fazę szczytową, fazę opadania, fazę niedostateczną i okres refrakcji. W fazie wzrostu potencjał błonowy depolaryzuje się (staje się bardziej dodatni). Punkt, w którym zatrzymuje się depolaryzacja, nazywany jest fazą szczytową. Na tym etapie potencjał błonowy osiąga maksimum. Po tym następuje faza opadania. Na tym etapie potencjał błonowy staje się bardziej ujemny, wracając do potencjału spoczynkowego. Faza niedoregulowania lub pohiperpolaryzacji to okres, w którym potencjał błonowy chwilowo staje się bardziej ujemnie naładowany niż w spoczynku (hiperpolaryzacja). Wreszcie czas, w którym kolejny potencjał czynnościowy jest niemożliwy lub trudny do wystrzelenia, nazywany jest okresem refrakcji , który może nakładać się na inne fazy.

Przebieg potencjału czynnościowego jest determinowany przez dwa sprzężone efekty. Po pierwsze, kanałów jonowych, wrażliwych na potencjał otwierania i zamykania, w odpowiedzi na zmiany napięcia membrany V m . Zmienia to przepuszczalność membrany dla tych jonów. Po drugie, zgodnie z równaniem Goldman , zmiana przepuszczalności zmienia potencjał równowagi E m , a w ten sposób napięcia membrany V m . Zatem potencjał błonowy wpływa na przepuszczalność, która następnie wpływa na potencjał błonowy. Stwarza to możliwość pozytywnego sprzężenia zwrotnego , które jest kluczową częścią fazy wzrostu potencjału czynnościowego. Czynnikiem komplikującym jest, że pojedynczy kanał jonowy może mieć wiele wewnętrznych „bramki”, które reagują na zmiany V m w odmienny sposób, lub w różnym stopniu. Na przykład, pomimo zwiększenia V m otwiera większości bram w kanałów sodowych wrażliwych, ale także zamykają „bramkę inaktywacji” w kanale, chociaż wolniej. W związku z tym, gdy V m podnosi się raptownie, kanały sodowe w pierwszym okresie, ale blisko ze względu na mniejszą dezaktywację.

Napięcia i prądy potencjału czynnościowego we wszystkich jego fazach zostały dokładnie zamodelowane przez Alana Lloyda Hodgkina i Andrew Huxleya w 1952 roku, za co otrzymali w 1963 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Jednak ich model uwzględnia tylko dwa rodzaje wrażliwych na napięcie kanałów jonowych i przyjmuje na ich temat kilka założeń, np. że ich wewnętrzne bramki otwierają się i zamykają niezależnie od siebie. W rzeczywistości istnieje wiele rodzajów kanałów jonowych, które nie zawsze otwierają się i zamykają niezależnie.

Faza stymulacji i wzrostu

Typowa potencjalne działanie rozpoczyna się przy wzgórku aksonu z dostatecznie silnym depolaryzacji, na przykład na bodziec, który zwiększa V m . Ta depolaryzacja jest często spowodowana wstrzyknięciem do komórki dodatkowych kationów sodu ; kationy te mogą pochodzić z wielu różnych źródeł, takich jak synapsy chemiczne , neurony czuciowe lub potencjały stymulatora .

W przypadku neuronu w spoczynku, w płynie pozakomórkowym występuje wysokie stężenie jonów sodu i chloru w porównaniu z płynem wewnątrzkomórkowym , podczas gdy w płynie wewnątrzkomórkowym występuje wysokie stężenie jonów potasu w porównaniu z płynem pozakomórkowym. Różnica stężeń, która powoduje przemieszczanie się jonów od wysokiego do niskiego oraz efekty elektrostatyczne (przyciąganie przeciwnych ładunków) są odpowiedzialne za ruch jonów do i na zewnątrz neuronu. Wnętrze neuronu ma ładunek ujemny, w stosunku do powierzchni zewnętrznej komórki, z ruchu K + poza komórkę. Błona neuronu jest bardziej przepuszczalna dla K + niż dla innych jonów, co pozwala temu jonowi selektywnie wyprowadzać się z komórki, w dół jej gradientu stężenia. Ten gradient stężenia wraz z kanałami wycieku potasu obecnymi na błonie neuronu powoduje wypływ jonów potasu, co powoduje, że potencjał spoczynkowy jest bliski E K  ≈ –75 mV. Ponieważ jony Na + są w wyższych stężeniach poza komórką, różnice w stężeniu i napięciu prowadzą je do komórki, gdy kanały Na + się otwierają. Depolaryzacja otwiera zarówno kanały sodowe, jak i potasowe w błonie, umożliwiając przepływ jonów odpowiednio do i z aksonu. Jeśli depolaryzacja jest niewielka (na przykład, zwiększenie V m od -70 mV do -60 mV), na zewnątrz potasu przygniata prądu do wewnątrz prądu sodowego i membrana repolarizes z powrotem do jego normalnej potencjału spoczynkowego około -70 mV. Jednakże, jeśli depolaryzacja jest na tyle duża, że wewnątrz sodu prądu wzrasta ponad prądu biernego potasu i następuje utrata ( dodatnie sprzężenie zwrotne ) Wyniki: bardziej wewnątrz obecnego tam, tym więcej V m zwiększa się, co z kolei jeszcze bardziej zwiększa wewnętrzne obecny. Dostatecznie mocne depolaryzacji (wzrost V m ) powoduje kanałów sodowych wrażliwych na napięcie na otwartym; rosnąca przepuszczalność napędy sodu V m bliżej sodu równowagi napięcia E Na ≈ +55 mV. Wzrastające napięcie z kolei powoduje, że nawet więcej kanałów sodowych do otwierania, który popycha V m jeszcze dalej w kierunku E sodowym . Ten pozytywny zwrotnego trwa aż kanały sodowe są w pełni otwarte, a V m jest blisko E sodowym . Gwałtowny wzrost V m i przepuszczalności sodu pokrywający się z rosnącym fazy potencjału czynnościowego.

Krytyczne napięcie progowe dla tego niekontrolowanego stanu wynosi zwykle około -45 mV, ale zależy od ostatniej aktywności aksonu. Komórka, która właśnie uruchomiła potencjał czynnościowy, nie może natychmiast odpalić kolejnego, ponieważ kanały Na + nie wyszły ze stanu dezaktywacji. Okres, w którym nie można wyzwolić nowego potencjału czynnościowego, nazywany jest okresem bezwzględnej refrakcji . W dłuższych okresach, po odzyskaniu części, ale nie wszystkich kanałów jonowych, akson może zostać pobudzony do wytworzenia innego potencjału czynnościowego, ale z wyższym progiem, wymagającym znacznie silniejszej depolaryzacji, np. do -30 mV. Okres, w którym potencjały czynnościowe są niezwykle trudne do wywołania, nazywany jest okresem względnej refrakcji .

Faza szczytowa

Pozytywne sprzężenie zwrotne fazy wznoszącej zwalnia i zatrzymuje się, gdy kanały jonów sodu stają się maksymalnie otwarte. W piku potencjału czynnościowego, przepuszczalność sodu i maksymalne napięcie membrany V m jest prawie równa sodu równowagi napięcia E sodowym . Jednak to samo podwyższone napięcie, które początkowo otwierało kanały sodowe, również powoli je wyłącza, zamykając ich pory; kanały sodowe zostają dezaktywowane . Zmniejsza to przepuszczalność błony dla sodu w stosunku do potasu, cofając napięcie błony z powrotem do wartości spoczynkowej. Jednocześnie podwyższone napięcie otwiera wrażliwe na napięcie kanały potasowe; Wzrost w przepuszczalności potas membrany napędza V m w kierunku E K . Łącznie, te zmiany sodu i potasu przepuszczalności przyczyną V m spadek szybko repolarizing membrany i wytworzenia fazy „opadania” potencjału czynnościowego.

Pohiperpolaryzacji

Zdepolaryzowane napięcie otwiera dodatkowe zależne od napięcia kanały potasowe, a niektóre z nich nie zamykają się od razu, gdy błona powraca do normalnego napięcia spoczynkowego. Ponadto kolejne kanały potasowe otwierają się w odpowiedzi na napływ jonów wapnia podczas potencjału czynnościowego. Wewnątrzkomórkowego stężenia jonów potasu jest przejściowo niezwykle niska, dzięki czemu membrana napięcia V m jeszcze bliżej potasu równowagi napięcia E K . Potencjał błonowy spada poniżej potencjału błonowego spoczynkowego. W związku z tym istnieje niedostateczna polaryzacja lub hiperpolaryzacja , zwana pohiperpolaryzacją , która utrzymuje się, dopóki przepuszczalność potasu przez błonę nie powróci do swojej zwykłej wartości, przywracając potencjał błony do stanu spoczynku.

Okres ogniotrwałości

Po każdym potencjale czynnościowym następuje okres refrakcji , który można podzielić na bezwzględny okres refrakcji , podczas którego nie można wywołać innego potencjału czynnościowego, a następnie względny okres refrakcji , podczas którego wymagany jest silniejszy niż zwykle bodziec. Te dwa okresy refrakcji spowodowane są zmianami stanu cząsteczek kanałów sodowych i potasowych. Podczas zamykania po potencjale czynnościowym kanały sodowe wchodzą w stan „nieaktywny” , w którym nie można ich otworzyć niezależnie od potencjału błonowego – powoduje to absolutny okres refrakcji. Nawet po przejściu wystarczającej liczby kanałów sodowych z powrotem do stanu spoczynkowego często zdarza się, że część kanałów potasowych pozostaje otwarta, co utrudnia depolaryzację potencjału błony, a tym samym powoduje wzrost względnego okresu refrakcji. Ponieważ gęstość i podtypy kanałów potasowych mogą się znacznie różnić między różnymi typami neuronów, czas trwania względnego okresu refrakcji jest bardzo zmienny.

Absolutny okres refrakcji jest w dużej mierze odpowiedzialny za jednokierunkową propagację potencjałów czynnościowych wzdłuż aksonów. W każdej chwili obszar aksonu za aktywnie kolczastą częścią jest ogniotrwały, ale obszar z przodu, który nie był ostatnio aktywowany, może być stymulowany przez depolaryzację z potencjału czynnościowego.

Propagacja

Potencjał czynnościowy generowany na wzgórku aksonu rozchodzi się jako fala wzdłuż aksonu. Prądy płynące do wewnątrz w punkcie na aksonie podczas potencjału czynnościowego rozchodzą się wzdłuż aksonu i depolaryzują sąsiednie odcinki jego błony. Ta depolaryzacja, jeśli jest wystarczająco silna, wywołuje podobny potencjał czynnościowy w sąsiednich płatach błony. Ten podstawowy mechanizm zademonstrował Alan Lloyd Hodgkin w 1937 roku. Po zmiażdżeniu lub schłodzeniu segmentów nerwowych, a tym samym zablokowaniu potencjałów czynnościowych, wykazał, że potencjał czynnościowy docierający po jednej stronie bloku może wywołać inny potencjał czynnościowy po drugiej, pod warunkiem, że zablokowany odcinek był wystarczająco krótki.

Po pojawieniu się potencjału czynnościowego na płatu membrany, płat membrany potrzebuje czasu, aby się zregenerować, zanim będzie mógł ponownie wystrzelić. Na poziomie molekularnym ten bezwzględny okres refrakcji odpowiada czasowi potrzebnemu do powrotu kanałów sodowych aktywowanych napięciem do stanu po dezaktywacji, tj. powrotu do stanu zamkniętego. W neuronach istnieje wiele rodzajów kanałów potasowych aktywowanych napięciem. Niektóre z nich dezaktywują się szybko (prądy typu A), a niektóre dezaktywują się powoli lub nie dezaktywują wcale; ta zmienność gwarantuje, że zawsze będzie dostępne źródło prądu do repolaryzacji, nawet jeśli niektóre kanały potasowe są dezaktywowane z powodu wcześniejszej depolaryzacji. Z drugiej strony, wszystkie neuronalne kanały sodowe aktywowane napięciem dezaktywują się w ciągu kilku milisekund podczas silnej depolaryzacji, co uniemożliwia następującą depolaryzację, dopóki znaczna część kanałów sodowych nie powróci do stanu zamkniętego. Chociaż ogranicza częstotliwość wypalania, bezwzględny okres refrakcji zapewnia, że ​​potencjał czynnościowy porusza się tylko w jednym kierunku wzdłuż aksonu. Prądy napływające z powodu potencjału czynnościowego rozchodzą się w obu kierunkach wzdłuż aksonu. Jednak tylko niewystrzelona część aksonu może odpowiedzieć potencjałem czynnościowym; część, która właśnie wystrzeliła, nie reaguje, dopóki potencjał czynnościowy nie znajdzie się bezpiecznie poza zasięgiem i nie będzie mógł ponownie pobudzić tej części. W zwykłym przewodzeniu ortodromicznym potencjał czynnościowy rozchodzi się od wzgórka aksonu w kierunku guzków synaptycznych (końcówek aksonów); propagacja w przeciwnym kierunku – znana jako przewodzenie antydromiczne – jest bardzo rzadka. Jednakże, jeśli akson laboratoryjny jest stymulowany w jego środku, obie połówki aksonu są „świeże”, tj. niewypalone; wtedy zostaną wygenerowane dwa potencjały czynnościowe, jeden wędrujący w kierunku wzgórka aksonu, a drugi w kierunku gałek synaptycznych.

Mielina i przewodzenie słone

Aksony neuronów są owinięte kilkoma osłonkami mielinowymi, które chronią akson przed płynem pozakomórkowym.  Pomiędzy osłonkami mielinowymi, znanymi jako węzły Ranviera, występują krótkie przerwy, w których akson jest bezpośrednio wystawiony na otaczający płyn pozakomórkowy.
W przewodzeniu solnym potencjał czynnościowy w jednym węźle Ranviera powoduje prądy wewnętrzne, które depolaryzują błonę w następnym węźle, prowokując tam nowy potencjał czynnościowy; potencjał czynnościowy wydaje się „skakać” od węzła do węzła.

Aby umożliwić szybką i wydajną transdukcję sygnałów elektrycznych w układzie nerwowym, niektóre aksony neuronów pokryte są osłonkami mielinowymi . Mielina jest wielowarstwową błoną, która otacza akson segmentami oddzielonymi odstępami znanymi jako węzły Ranviera . Jest produkowany przez wyspecjalizowane komórki: komórki Schwanna wyłącznie w obwodowym układzie nerwowym , a oligodendrocyty wyłącznie w ośrodkowym układzie nerwowym . Osłonka mielinowa zmniejsza pojemność błony i zwiększa opór błony w interwałach międzywęzłowych, umożliwiając w ten sposób szybki, słony ruch potencjałów czynnościowych od węzła do węzła. Mielinizacja występuje głównie u kręgowców , ale analogiczny układ odkryto u kilku bezkręgowców, takich jak niektóre gatunki krewetek . Nie wszystkie neurony kręgowców są zmielinizowane; na przykład aksony neuronów tworzących autonomiczny układ nerwowy na ogół nie są mielinizowane.

Mielina zapobiega przedostawaniu się jonów do lub opuszczaniu aksonu wzdłuż zmielinizowanych segmentów. Z reguły mielinizacja zwiększa prędkość przewodzenia potencjałów czynnościowych i czyni je bardziej energooszczędnymi. Niezależnie od tego, czy jest to słone czy nie, średnia prędkość przewodzenia potencjału czynnościowego waha się od 1  metra na sekundę (m/s) do ponad 100 m/s i ogólnie wzrasta wraz ze średnicą aksonów.

Potencjały czynnościowe nie mogą rozprzestrzeniać się przez błonę w zmielinizowanych segmentach aksonu. Jednak prąd jest przenoszony przez cytoplazmę, co wystarcza do depolaryzacji pierwszego lub drugiego kolejnego węzła Ranviera . Zamiast tego prąd jonowy z potencjału czynnościowego w jednym węźle Ranviera wywołuje inny potencjał czynnościowy w następnym węźle; to pozorne „przeskakiwanie” potencjału czynnościowego od węzła do węzła jest znane jako przewodzenie słone . Chociaż mechanizm przewodnictwa słonego został zasugerowany w 1925 roku przez Ralpha Lillie, pierwsze eksperymentalne dowody na przewodnictwo słone pochodziły od Ichiji Tasaki i Taiji Takeuchi oraz od Andrew Huxleya i Roberta Stämpfli. W przeciwieństwie do tego, w aksonach niezmielinizowanych, potencjał czynnościowy prowokuje inny w błonie bezpośrednio sąsiadującej i przesuwa się w dół aksonu jak fala.

Wykres log-log prędkości przewodzenia (m/s) w funkcji średnicy aksonu (μm).
Porównanie prędkości przewodzenia aksonów zmielinizowanych i niezmielinizowanych u kota . Szybkość przewodzenia v neuronów zmielinizowanych zmienia się w przybliżeniu liniowo wraz ze średnicą d aksonu (to jest vd ), podczas gdy prędkość neuronów bez mielinizacji zmienia się w przybliżeniu jako pierwiastek kwadratowy ( vd ). Krzywe czerwona i niebieska to dopasowania danych eksperymentalnych, natomiast linie kropkowane to ich teoretyczne ekstrapolacje.

Mielina ma dwie ważne zalety: szybkie przewodzenie i wydajność energetyczną. W przypadku aksonów większych niż minimalna średnica (około 1 mikrometr ) mielinizacja zwiększa prędkość przewodzenia potencjału czynnościowego, zwykle dziesięciokrotnie. Odwrotnie, dla danej prędkości przewodzenia, mielinowane włókna są mniejsze niż ich niezmielinizowane odpowiedniki. Na przykład potencjały czynnościowe poruszają się z mniej więcej taką samą prędkością (25 m/s) w zmielinizowanym aksonie żaby i niezmielinizowanym aksonie kałamarnicy olbrzymiej , ale akson żaby ma około 30-krotnie mniejszą średnicę i 1000-krotnie mniejszą powierzchnię przekroju . Ponadto, ponieważ prądy jonowe są ograniczone do węzłów Ranviera, znacznie mniej jonów „przecieka” przez błonę, oszczędzając energię metaboliczną. Oszczędność ta jest istotną zaletą selektywną , ponieważ ludzki układ nerwowy zużywa około 20% energii metabolicznej organizmu.

Długość zmielinizowanych segmentów aksonów jest ważna dla powodzenia przewodnictwa soliteryjnego. Powinny być jak najdłuższe, aby zmaksymalizować szybkość przewodzenia, ale nie na tyle, aby nadchodzący sygnał był zbyt słaby, aby wywołać potencjał czynnościowy w następnym węźle Ranviera. W naturze, mielinizowane segmenty są na ogół wystarczająco długie, aby biernie propagowany sygnał przemieszczał się przez co najmniej dwa węzły, zachowując wystarczającą amplitudę, aby wystrzelić potencjał czynnościowy w drugim lub trzecim węźle. Tak więc współczynnik bezpieczeństwa przewodnictwa solnego jest wysoki, umożliwiając transmisję omijania węzłów w przypadku urazu. Jednak potencjały czynnościowe mogą zakończyć się przedwcześnie w niektórych miejscach, gdzie współczynnik bezpieczeństwa jest niski, nawet w neuronach bez mielin; częstym przykładem jest punkt rozgałęzienia aksonu, gdzie dzieli się na dwa aksony.

Niektóre choroby degradują mielinę i zaburzają przewodzenie słone, zmniejszając prędkość przewodzenia potencjałów czynnościowych. Najbardziej znanym z nich jest stwardnienie rozsiane , w którym rozpad mieliny upośledza koordynację ruchów.

Teoria kabli

Schemat przedstawiający opór i pojemność w błonie komórkowej aksonu.  Błona komórkowa jest podzielona na sąsiednie regiony, z których każdy ma swój własny opór i pojemność pomiędzy cytozolem a płynem pozakomórkowym w poprzek błony.  Każdy z tych regionów jest z kolei połączony obwodem wewnątrzkomórkowym z oporem.
Uproszczony pogląd na włókno neuronowe według teorii kabli. Połączone obwody RC odpowiadają sąsiednim segmentom pasywnego neurytu . Pozakomórkowe rezystancje R e (odpowiedniki wewnątrzkomórkowej rezystancji r I ) nie są pokazane, ponieważ są one zazwyczaj pomijalnie mała; można założyć, że ośrodek pozakomórkowy ma wszędzie takie samo napięcie.

Przepływ prądów w aksonie można opisać ilościowo za pomocą teorii kabli i jej opracowań, takich jak model przedziałowy. Teoria kabli została opracowana w 1855 roku przez Lorda Kelvina w celu modelowania transatlantyckiego kabla telegraficznego, a Hodgkin i Rushton w 1946 wykazali, że ma ona związek z neuronami . W prostej teorii kabli neuron jest traktowany jako elektrycznie pasywny, idealnie cylindryczny kabel transmisyjny, który można opisać równaniem różniczkowym cząstkowym

gdzie V ( x , t ) jest napięciem w błonie w czasie t i pozycji x na długości neuronu, a gdzie λ i τ są charakterystycznymi skalami długości i czasu, w których te napięcia zanikają w odpowiedzi na bodziec . Odnosząc się do schematu obwodu po prawej stronie, skale te można określić na podstawie rezystancji i pojemności na jednostkę długości.

Te skale czasu i długości można wykorzystać do zrozumienia zależności prędkości przewodzenia od średnicy neuronu we włóknach niezmielinizowanych. Na przykład w przedziale czasowym τ wzrasta zarówno odporności błony r m i pojemności c m . Wraz ze wzrostem pojemności należy przenieść więcej ładunku, aby wytworzyć dane napięcie transbłonowe ( z równania Q  =  CV ); gdy opór wzrasta, mniej ładunku jest przenoszone na jednostkę czasu, co powoduje wolniejsze równoważenie. W podobny sposób, jeśli opór wewnętrzny na jednostkę długości r i jest mniejszy w jednym aksonie niż w innym (np. ponieważ promień tego pierwszego jest większy), długość przestrzennego rozpadu λ staje się dłuższa, a prędkość przewodzenia potencjału czynnościowego powinien wzrosnąć. Jeśli rezystancja transbłonową R m jest zwiększona, który obniża średnie „wyciek” prądu na membranie, również powodując λ się wydłużenia, zwiększając szybkość przewodzenia.

Zakończenie

Synapsy chemiczne

Ogólnie potencjały czynnościowe, które docierają do guzków synaptycznych, powodują uwolnienie neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej. Neuroprzekaźniki to małe cząsteczki, które mogą otwierać kanały jonowe w komórce postsynaptycznej; większość aksonów ma ten sam neuroprzekaźnik na wszystkich swoich końcach. Pojawienie się potencjału czynnościowego otwiera wrażliwe na napięcie kanały wapniowe w błonie presynaptycznej; napływ wapnia powoduje, że pęcherzyki wypełnione neuroprzekaźnikiem migrują na powierzchnię komórki i uwalniają swoją zawartość do szczeliny synaptycznej . Ten złożony proces jest hamowany przez neurotoksyny tetanospazminę i toksynę botulinową , które są odpowiedzialne odpowiednio za tężec i zatrucie jadem kiełbasianym .

Synapazy elektryczne składają się z kompleksów białkowych, które są osadzone w obu błonach sąsiednich neuronów i w ten sposób zapewniają bezpośredni kanał przepływu jonów z cytoplazmy jednej komórki do sąsiedniej komórki.
Synapsy elektryczne między komórkami pobudliwymi umożliwiają jonom przechodzenie bezpośrednio z jednej komórki do drugiej i są znacznie szybsze niż synapsy chemiczne .

Synapsy elektryczne

Niektóre synapsy obywają się bez „pośrednika” neuroprzekaźnika i łączą ze sobą komórki presynaptyczne i postsynaptyczne. Kiedy potencjał czynnościowy osiągnie taką synapsę, prądy jonowe wpływające do komórki presynaptycznej mogą przekroczyć barierę dwóch błon komórkowych i wejść do komórki postsynaptycznej przez pory znane jako connexony . Zatem prądy jonowe o presynaptycznym potencjale czynnościowym mogą bezpośrednio stymulować komórkę postsynaptyczną. Synapsy elektryczne pozwalają na szybszą transmisję, ponieważ nie wymagają powolnej dyfuzji neuroprzekaźników przez szczelinę synaptyczną. Stąd synapsy elektryczne są stosowane, gdy szybka reakcja i koordynacja terminów są kluczowe, tak jak w odruchach ewakuacyjnych , w siatkówce z kręgowców , a sercem .

Połączenia nerwowo-mięśniowe

Szczególnym przypadkiem synapsy chemiczny jest nerwowo-mięśniowe skrzyżowanie , w którym aksonu z a neuronu ruchowego kończy się na włókna mięśni . W takich przypadkach uwalnianym neuroprzekaźnikiem jest acetylocholina , która wiąże się z receptorem acetylocholiny, integralnym białkiem błonowym w błonie ( sarkolemmie ) włókna mięśniowego. Jednak acetylocholina nie pozostaje związana; raczej dysocjuje i jest hydrolizowany przez enzym, acetylocholinoesterazę , zlokalizowany w synapsie. Enzym ten szybko redukuje bodziec do mięśni, co pozwala na delikatną regulację stopnia i czasu skurczu mięśni. Niektóre trucizny dezaktywują acetylocholinoesterazę, aby zapobiec tej kontroli, takie jak czynniki nerwowe sarin i tabun oraz insektycydy diazynon i malation .

Inne typy komórek

Potencjały czynnościowe serca

Wykres potencjału błonowego w funkcji czasu.  Początkowa faza spoczynku (obszar 4) jest ujemna i stale płynie przez gwałtowny wzrost (0) do piku (1).  Faza plateau (2) jest nieco poniżej piku.  Po fazie plateau następuje dość szybki powrót (3) z powrotem do potencjału spoczynkowego (4).
Fazy ​​potencjału czynnościowego serca. Gwałtowny wzrost napięcia („0”) odpowiada napływowi jonów sodu, podczas gdy dwa rozpady (odpowiednio „1” i „3”) odpowiadają inaktywacji kanału sodowego i repolaryzacyjnemu wypływowi jonów potasu. Charakterystyczne plateau („2”) wynika z otwarcia wrażliwych na napięcie kanałów wapniowych .

Potencjał czynnościowy serca różni się od potencjału czynnościowego neuronów wydłużonym plateau, w którym błona jest utrzymywana pod wysokim napięciem przez kilkaset milisekund, zanim zostanie jak zwykle repolaryzowana przez prąd potasowy. To plateau wynika z działania wolniejszego otwierania kanałów wapniowych i utrzymywania napięcia błonowego w pobliżu ich potencjału równowagi, nawet po dezaktywacji kanałów sodowych.

Potencjał czynnościowy serca odgrywa ważną rolę w koordynowaniu skurczu serca. Komórki sercowe węzła zatokowo-przedsionkowego zapewniają potencjał stymulatora, który synchronizuje serce. Potencjały czynnościowe tych komórek propagują się do i przez węzeł przedsionkowo-komorowy ( węzeł AV), który jest zwykle jedyną drogą przewodzenia między przedsionkami a komorami . Potencjały czynnościowe z węzła AV wędrują przez wiązkę His, a stamtąd do włókien Purkinjego . Odwrotnie, anomalie w potencjale czynnościowym serca – czy to z powodu wrodzonej mutacji, czy urazu – mogą prowadzić do patologii u ludzi, zwłaszcza arytmii . Kilka leków przeciwarytmicznych, takich jak chinidyna , lidokaina , beta-blokery i werapamil, działa na potencjał czynnościowy serca .

Potencjały czynnościowe mięśni

Potencjał czynnościowy w normalnej komórce mięśnia szkieletowego jest podobny do potencjału czynnościowego w neuronach. Potencjały czynnościowe wynikają z depolaryzacji błony komórkowej ( sarkolemy ), która otwiera wrażliwe na napięcie kanały sodowe; zostają one dezaktywowane, a błona ulega repolaryzacji przez prąd zewnętrzny jonów potasu. Potencjał spoczynkowy przed potencjałem czynnościowym wynosi zwykle -90mV, nieco bardziej ujemny niż typowe neurony. Potencjał czynnościowy mięśnia trwa około 2-4 ms, bezwzględny okres refrakcji wynosi około 1-3 ms, a prędkość przewodzenia wzdłuż mięśnia wynosi około 5 m/s. Potencjał czynnościowy uwalnia jony wapnia , które uwalniają tropomiozynę i umożliwiają skurcz mięśni. Potencjały czynnościowe mięśni są wywoływane przez pojawienie się presynaptycznego potencjału czynnościowego neuronów w połączeniu nerwowo- mięśniowym , które jest częstym celem dla neurotoksyn .

Potencjały czynnościowe roślin

Komórki roślinne i grzybowe są również pobudliwe elektrycznie. Zasadnicza różnica w stosunku do potencjałów czynnościowych zwierząt polega na tym, że depolaryzacja w komórkach roślinnych nie następuje przez wychwyt dodatnich jonów sodu, ale przez uwolnienie ujemnych jonów chlorkowych . W 1906 roku JC Bose opublikował pierwsze pomiary potencjałów czynnościowych w roślinach, które wcześniej odkryli Burdon-Sanderson i Darwin. Wzrost cytoplazmatycznych jonów wapnia może być przyczyną uwalniania anionów do komórki. To sprawia, że ​​wapń jest prekursorem ruchów jonów, takich jak napływ ujemnych jonów chlorkowych i wypływ dodatnich jonów potasu, co widać w liściach jęczmienia.

Początkowy napływ jonów wapnia powoduje również niewielką depolaryzację komórkową, powodując otwarcie kanałów jonowych bramkowanych napięciem i umożliwiając propagację pełnej depolaryzacji przez jony chlorkowe.

Niektóre rośliny (np. Dionaea muscipula ) wykorzystują kanały bramkowane sodem do obsługi ruchów i zasadniczo „liczenia”. Dionaea muscipula , znana również jako muchołówka Wenus, występuje na subtropikalnych terenach podmokłych w Północnej i Południowej Karolinie. Gdy w glebie występują ubogie składniki odżywcze, muchołówka opiera się na diecie owadów i zwierząt. Pomimo badań nad rośliną, brakuje zrozumienia podstaw molekularnych muchołówek i roślin mięsożernych w ogóle.

Jednak przeprowadzono wiele badań na temat potencjałów czynnościowych i ich wpływu na ruch i mechanizm zegarowy w pułapce na muchy. Po pierwsze, spoczynkowy potencjał błonowy muchołówki (-120mV) jest niższy niż komórek zwierzęcych (zwykle od -90mV do -40mV). Niższy potencjał spoczynkowy ułatwia aktywację potencjału czynnościowego. Tak więc, gdy owad ląduje w pułapce rośliny, uruchamia mechanoreceptor przypominający włos. Receptor ten następnie aktywuje potencjał czynnościowy, który trwa około 1,5 ms. Ostatecznie powoduje to wzrost dodatnich jonów wapnia do komórki, lekko ją depolaryzując.

Jednak pułapka na muchy nie zamyka się po jednym spuście. Zamiast tego wymaga aktywacji 2 lub więcej włosów. Jeśli wyzwolony zostanie tylko jeden włos, aktywacja jest fałszywie dodatnia. Co więcej, drugi włos musi zostać aktywowany w określonym przedziale czasu (0,75 s - 40 s), aby zarejestrował się przy pierwszej aktywacji. W ten sposób zaczyna się gromadzenie wapnia i powoli spada od pierwszego wyzwalacza. Gdy drugi potencjał czynnościowy zostaje wystrzelony w określonym przedziale czasu, osiąga próg wapniowy depolaryzacji komórki, zamykając pułapkę na zdobyczy w ciągu ułamka sekundy.

Wraz z późniejszym uwalnianiem dodatnich jonów potasu potencjał czynnościowy w roślinach obejmuje osmotyczną utratę soli (KCl). Natomiast potencjał czynnościowy zwierząt jest obojętny osmotycznie, ponieważ równe ilości wchodzącego i wychodzącego sodu znoszą się osmotycznie. Wydaje się, że oddziaływanie relacji elektrycznych i osmotycznych w komórkach roślinnych wynika z funkcji osmotycznej pobudliwości elektrycznej u wspólnych jednokomórkowych przodków roślin i zwierząt w zmieniających się warunkach zasolenia. Co więcej, obecna funkcja szybkiej transmisji sygnału jest postrzegana jako nowsze osiągnięcie komórek metazoan w bardziej stabilnym środowisku osmotycznym. Jest prawdopodobne, że znajoma funkcja sygnalizacyjna potencjałów czynnościowych niektórych roślin naczyniowych (np. Mimosa pudica ) powstała niezależnie od pobudliwych komórek metazoan.

W przeciwieństwie do fazy wzrostu i piku, faza opadania i hiperpolaryzacja następcza wydają się zależeć głównie od kationów, które nie są wapniem. Aby zainicjować repolaryzację, komórka wymaga wyprowadzenia potasu z komórki poprzez pasywny transport na błonie. Różni się to od neuronów, ponieważ ruch potasu nie dominuje nad spadkiem potencjału błonowego; W rzeczywistości, do pełnej repolaryzacji, komórka roślinna potrzebuje energii w postaci ATP, aby pomóc w uwalnianiu wodoru z komórki – wykorzystując transporter powszechnie znany jako H+-ATPaza.

Rozkład taksonomiczny i zalety ewolucyjne

Potencjały czynnościowe znajdują się w organizmach wielokomórkowych , w tym roślinach , bezkręgowcach, takich jak owady i kręgowcach, takich jak gady i ssaki . Gąbki wydają się być główną gromadą wielokomórkowych eukariontów, które nie przenoszą potencjałów czynnościowych, chociaż niektóre badania sugerują, że te organizmy mają również formę sygnalizacji elektrycznej. Potencjał spoczynkowy, a także wielkość i czas trwania potencjału czynnościowego nie zmieniały się zbytnio wraz z ewolucją, chociaż prędkość przewodzenia zmienia się dramatycznie w zależności od średnicy aksonów i mielinizacji.

Porównanie potencjałów czynnościowych (AP) z reprezentatywnego przekroju zwierząt
Zwierzę Typ komórki Potencjał spoczynkowy (mV) Wzrost AP (mV) Czas trwania AP (ms) Prędkość przewodzenia (m/s)
Kalmary ( Loligo ) Wielki akson -60 120 0,75 35
Dżdżownica ( Lumbricus ) Mediana olbrzymiego włókna −70 100 1,0 30
Karaluch ( Periplaneta ) Gigantyczne włókno −70 80–104 0,4 10
Żaba ( Rana ) Akson nerwu kulszowego -60 do -80 110–130 1,0 7–30
Kot ( Felis ) Rdzeniowy neuron ruchowy -55 do -80 80–110 1-1,5 30–120

Biorąc pod uwagę jego zachowanie podczas ewolucji, wydaje się, że potencjał czynnościowy daje korzyści ewolucyjne. Jedną z funkcji potencjałów czynnościowych jest szybka, dalekosiężna sygnalizacja w organizmie; prędkość przewodzenia może przekroczyć 110 m/s, co stanowi jedną trzecią prędkości dźwięku . Dla porównania, cząsteczka hormonu przenoszona w krwiobiegu porusza się z prędkością około 8 m/sw dużych tętnicach. Częścią tej funkcji jest ścisła koordynacja zdarzeń mechanicznych, takich jak skurcz serca. Druga funkcja to obliczenia związane z jej generowaniem. Będąc sygnałem typu „wszystko albo nic”, który nie zanika wraz z odległością transmisji, potencjał działania ma podobne zalety jak elektronika cyfrowa . Integracja różnych sygnałów dendrytycznych na wzgórku aksonu i jego progowanie w celu utworzenia złożonego ciągu potencjałów czynnościowych to kolejna forma obliczeń, wykorzystana biologicznie do tworzenia centralnych generatorów wzorców i naśladowana w sztucznych sieciach neuronowych .

Uważa się, że wspólny przodek prokariotyczny/eukariotyczny, który żył około czterech miliardów lat temu, miał kanały sterowane napięciem. Ta funkcjonalność była prawdopodobnie w pewnym momencie skrzyżowana, aby zapewnić mechanizm komunikacji. Nawet współczesne bakterie jednokomórkowe mogą wykorzystywać potencjały czynnościowe do komunikowania się z innymi bakteriami w tym samym biofilmie.

metody eksperymentalne

Ilustracja kałamarnicy przybrzeżnej.
Olbrzymie aksony przybrzeżnej kałamarnicy długopłetwej ( Doryteuthis pealeii ) miały kluczowe znaczenie dla zrozumienia potencjału czynnościowego przez naukowców .

Badanie potencjałów czynnościowych wymagało opracowania nowych metod eksperymentalnych. Początkowe prace, przed rokiem 1955, przeprowadzili głównie Alan Lloyd Hodgkin i Andrew Fielding Huxley , którzy wraz z Johnem Carewem Ecclesem otrzymali w 1963 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za ich wkład w opis jonowej podstawy nerwu. przewodzenie. Skupiono się na trzech celach: izolowaniu sygnałów z pojedynczych neuronów lub aksonów, rozwijaniu szybkiej i czułej elektroniki oraz zmniejszaniu elektrod na tyle, aby można było zarejestrować napięcie wewnątrz pojedynczej komórki.

Pierwszy problem rozwiązano badając gigantyczne aksony znajdujące się w neuronach kałamarnicy ( Loligo forbesii i Doryteuthis pealeii , wówczas klasyfikowanej jako Loligo pealeii ). Aksony te mają tak dużą średnicę (około 1 mm, czyli 100 razy większą niż typowy neuron), że można je zobaczyć gołym okiem, co ułatwia ich wyodrębnianie i manipulowanie. Jednak nie są one reprezentatywne dla wszystkich pobudliwych komórek i zbadano wiele innych systemów o potencjałach czynnościowych.

Drugi problem został rozwiązany przy decydującym opracowaniu ogranicznika napięcia , który umożliwił eksperymentatorom badanie prądów jonowych leżących u podstaw potencjału czynnościowego w izolacji i wyeliminował kluczowe źródło szumu elektronicznego , prąd I C związany z pojemnością C membrany. . Ponieważ prąd jest równy C razy szybkość zmian napięcia przezbłonowego V m , roztwór zaprojektowanie układu, w którym przechowywane V m stałą (zero szybkość zmian), niezależnie od prądów przepływających przez membranę. Tak więc, prąd wymagany do utrzymania V m przy stałej wartości jest bezpośrednim odzwierciedleniem prądu płynącego przez membranę. Inne postępy w elektronice obejmowały zastosowanie klatek Faradaya i elektroniki o wysokiej impedancji wejściowej , tak aby sam pomiar nie wpływał na mierzone napięcie.

Trzeci problem, polegający na uzyskaniu elektrod wystarczająco małych, aby rejestrować napięcia w pojedynczym aksonie bez zakłócania go, został rozwiązany w 1949 r. wraz z wynalezieniem szklanej elektrody do mikropipet, która została szybko przyjęta przez innych badaczy. Udoskonalenia tej metody umożliwiają wytwarzanie końcówek elektrod o grubości nawet 100 Å (10 nm ), co zapewnia również wysoką impedancję wejściową. Potencjały czynnościowe można również rejestrować za pomocą małych metalowych elektrod umieszczonych tuż obok neuronu, za pomocą neurochipów zawierających EOSFET lub optycznie za pomocą barwników wrażliwych na Ca 2+ lub napięcie.

Wykres potencjału błonowego w funkcji czasu.  Kanał jest przede wszystkim w stanie wysokiej przewodności, przerywany losowymi i stosunkowo krótkimi przejściami do stanów o niskiej przewodności
Jak ujawniła elektroda typu patch clamp , kanał jonowy ma dwa stany: otwarty (wysoka przewodność) i zamknięty (niska przewodność).

Podczas gdy elektrody z mikropipetami szklanymi mierzą sumę prądów przechodzących przez wiele kanałów jonowych, badanie właściwości elektrycznych pojedynczego kanału jonowego stało się możliwe w latach 70. XX wieku dzięki opracowaniu przez Erwina Nehera i Berta Sakmanna patch clamp . Za to odkrycie otrzymali w 1991 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Zaciskanie łatek potwierdziło, że kanały jonowe mają dyskretne stany przewodnictwa, takie jak otwarte, zamknięte i nieaktywne.

Technologie obrazowania optycznego zostały opracowane w ostatnich latach w celu pomiaru potencjałów czynnościowych za pomocą jednoczesnych zapisów wielomiejscowych lub w rozdzielczości ultraprzestrzennej. Przy użyciu barwników wrażliwych na napięcie , potencjały czynnościowe zostały optycznie zarejestrowane na maleńkim skrawku błony kardiomiocytów .

Neurotoksyny

Zdjęcie rozdymki.
Tetrodotoksyna jest śmiertelną toksyną występującą u rozdymkowatych, która hamuje wrażliwy na napięcie kanał sodowy , zatrzymując potencjały czynnościowe.

Kilka neurotoksyn , zarówno naturalnych, jak i syntetycznych, ma na celu blokowanie potencjału czynnościowego. Tetrodotoksyna z rozdymkowatych i saksytoksyna z Gonyaulax ( rodzaj bruzdnic odpowiedzialny za „ czerwone przypływy ”) blokują potencjały czynnościowe poprzez hamowanie wrażliwego na napięcie kanału sodowego; podobnie dendrotoksyna z mamby czarnej hamuje wrażliwy na napięcie kanał potasowy. Takie inhibitory kanałów jonowych służą ważnemu celowi badawczemu, umożliwiając naukowcom „wyłączanie” określonych kanałów w dowolnym momencie, izolując w ten sposób wkład innych kanałów; mogą być również przydatne w oczyszczaniu kanałów jonowych przez chromatografię powinowactwa lub w oznaczaniu ich stężenia. Jednak takie inhibitory wytwarzają również skuteczne neurotoksyny i zostały uznane za broń chemiczną . Neurotoksyny skierowane na kanały jonowe owadów są skutecznymi insektycydami ; jednym z przykładów jest syntetyczna permetryna , która przedłuża aktywację kanałów sodowych zaangażowanych w potencjały czynnościowe. Kanały jonowe owadów są na tyle różne od ich ludzkich odpowiedników, że u ludzi występuje niewiele skutków ubocznych.

Historia

Ręcznie rysowana figura dwóch komórek Purkiniego obok siebie z dendrytami wystającymi w górę, które wyglądają jak gałęzie drzewa i kilkoma aksonami wystającymi w dół, które łączą się z kilkoma komórkami ziarnistymi na dole rysunku.
Obraz dwóch komórek Purkiniego (oznaczonych jako A ) narysowany przez Santiago Ramóna y Cajala w 1899 roku. Duże drzewa dendrytów żywią się somą , z której wyłania się pojedynczy akson i porusza się ogólnie w dół z kilkoma rozgałęzieniami. Mniejsze komórki oznaczone literą B to komórki ziarniste .

Rola energii elektrycznej w układzie nerwowym zwierząt po raz pierwszy zaobserwowano w wyciętych żab przez Luigi Galvani , który badał ją od 1791 do 1797. Wyniki Galvaniego stymulowane Alessandro Volta rozwijać stos Voltaic -The najwcześniejszy znany elektryczny baterii -Z który studiował elektryczność zwierząt (np. węgorze elektryczne ) i reakcje fizjologiczne na przyłożone napięcia prądu stałego .

Naukowcy z XIX wieku badali propagację sygnałów elektrycznych w całych nerwach (tj. wiązkach neuronów ) i wykazali, że tkanka nerwowa składa się z komórek , a nie z połączonej sieci rurek ( retikulum ). Carlo Matteucci śledził badania Galvaniego i wykazał, że błony komórkowe mają na sobie napięcie i mogą wytwarzać prąd stały . Praca Matteucciego zainspirowała niemieckiego fizjologa Emila du Bois-Reymonda , który odkrył potencjał czynnościowy w 1843 roku. Prędkość przewodzenia potencjałów czynnościowych została po raz pierwszy zmierzona w 1850 roku przez przyjaciela du Bois-Reymonda, Hermanna von Helmholtza . Aby ustalić, że tkanka nerwowa składa się z odrębnych komórek, hiszpański lekarz Santiago Ramón y Cajal i jego uczniowie użyli barwnika opracowanego przez Camillo Golgiego, aby odsłonić niezliczone kształty neuronów, które z trudem odwzorowali. Za swoje odkrycia Golgi i Ramón y Cajal otrzymali w 1906 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii . Ich praca rozwiązała od dawna kontrowersję w XIX-wiecznej neuroanatomii ; Sam Golgi argumentował za modelem sieciowym układu nerwowego.

Schemat rysunkowy pompy sodowo-potasowej narysowany pionowo osadzony w schematycznym schemacie dwuwarstwy lipidowej reprezentowanej przez dwie równoległe linie poziome.  Część białka osadzona w podwójnej warstwie lipidowej składa się głównie z antyrównoległych arkuszy beta.  Istnieje również duża wewnątrzkomórkowa domena białka o mieszanej strukturze alfa-helisy/beta-kartki.
Schemat wstęgowy pompy sodowo-potasowej w stanie E2-Pi. Szacowane granice dwuwarstwy lipidowej pokazano jako niebieskie (wewnątrzkomórkowe) i czerwone (zewnętrzne) płaszczyzny.

XX wiek był znaczącą erą dla elektrofizjologii. W 1902 i ponownie w 1912 Julius Bernstein wysunął hipotezę, że potencjał czynnościowy wynika ze zmiany przepuszczalności błony aksonalnej dla jonów. Hipotezę Bernsteina potwierdzili Ken Cole i Howard Curtis, którzy wykazali, że przewodność błony wzrasta podczas potencjału czynnościowego. W 1907 Louis Lapicque zasugerował, że potencjał czynnościowy jest generowany w momencie przekroczenia progu, co później zostanie pokazane jako produkt dynamicznych układów przewodnictwa jonowego. W 1949 Alan Hodgkin i Bernard Katz udoskonalili hipotezę Bernsteina, uznając, że błona aksonów może mieć różną przepuszczalność dla różnych jonów; w szczególności wykazali kluczową rolę przepuszczalności sodu dla potencjału czynnościowego. Dokonali pierwszego rzeczywistego zapisu zmian elektrycznych w błonie neuronalnej, które pośredniczą w potencjale czynnościowym. Kulminacją tego kierunku badań było opublikowanie pięciu artykułów Hodgkina, Katza i Andrew Huxleya z 1952 r. , w których zastosowali technikę cęgów napięcia do określenia zależności przepuszczalności błony aksonalnej dla jonów sodu i potasu od napięcia i czasu, od których byli w stanie do ilościowej rekonstrukcji potencjału czynnościowego. Hodgkin i Huxley skorelowali właściwości swojego modelu matematycznego z dyskretnymi kanałami jonowymi, które mogą istnieć w kilku różnych stanach, w tym „otwartym”, „zamkniętym” i „nieaktywnym”. Ich hipotezy zostały potwierdzone w połowie lat 70. i 80. przez Erwina Nehera i Berta Sakmanna , którzy opracowali technikę patch clampingu do badania stanów przewodnictwa poszczególnych kanałów jonowych. W XXI wieku naukowcy zaczynają rozumieć strukturalne podstawy tych stanów przewodnictwa i selektywności kanałów dla ich gatunków jonów, poprzez struktury krystaliczne o rozdzielczości atomowej , pomiary odległości fluorescencyjnej i badania mikroskopii krioelektronowej.

Julius Bernstein był również pierwszym, który wprowadził równanie Nernsta dla potencjału spoczynkowego w poprzek błony; zostało to uogólnione przez Davida E. Goldmana do tytułowego równania Goldmana w 1943 roku. Pompa sodowo-potasowa została zidentyfikowana w 1957 roku, a jej właściwości zostały stopniowo wyjaśnione, czego kulminacją było określenie jej struktury w rozdzielczości atomowej za pomocą krystalografii rentgenowskiej . Rozwiązano również struktury krystaliczne powiązanych pomp jonowych, dając szerszy obraz działania tych maszyn molekularnych .

Modele ilościowe

Schemat obwodu przedstawiający pięć równoległych obwodów, które są połączone u góry z roztworem pozakomórkowym, a na dole z roztworem wewnątrzkomórkowym.
Równoważny obwód elektryczny dla modelu Hodgkina-Huxleya potencjału czynnościowego. I m i V m reprezentują odpowiednio prąd przepływający i napięcie w poprzek małego skrawka błony. C, m oznacza pojemność plastra membrany, natomiast cztery g” y oznaczają przewodnictwo czterech rodzajów jonów. Dwie przewodności po lewej stronie, dla potasu (K) i sodu (Na), są pokazane strzałkami, aby wskazać, że mogą się zmieniać wraz z przyłożonym napięciem, odpowiadając wrażliwym na napięcie kanałom jonowym . Dwie konduktancje po prawej stronie pomagają określić spoczynkowy potencjał błonowy .

Modele matematyczne i obliczeniowe są niezbędne do zrozumienia potencjału czynnościowego i oferują prognozy, które można przetestować na podstawie danych eksperymentalnych, zapewniając rygorystyczny test teorii. Najważniejszym i najdokładniejszym z wczesnych modeli neuronowych jest model Hodgkina-Huxleya , który opisuje potencjał czynnościowy za pomocą sprzężonego zestawu czterech równań różniczkowych zwyczajnych (ODE). Chociaż model Hodgkina-Huxleya może być uproszczeniem z kilkoma ograniczeniami w porównaniu z realistyczną błoną nerwową występującą w naturze, jego złożoność zainspirowała kilka jeszcze bardziej uproszczonych modeli, takich jak model Morrisa-Lecara i model FitzHugha-Nagumo , z których oba mają tylko dwa sprzężone ODE. Właściwości modeli Hodgkina-Huxleya i FitzHugha-Nagumo oraz ich pokrewnych, takich jak model Bonhoeffera-Van der Pol, zostały dobrze zbadane w matematyce, obliczeniach i elektronice. Jednak proste modele potencjału generatora i potencjału czynnościowego nie są w stanie dokładnie odtworzyć blisko progowej szybkości impulsów nerwowych i kształtu impulsów , szczególnie dla mechanoreceptorów, takich jak ciałko Paciniego . Bardziej nowoczesne badania koncentrują się na większych i bardziej zintegrowanych systemach; łącząc modele potencjału czynnościowego z modelami innych części układu nerwowego (takich jak dendryty i synapsy), naukowcy mogą badać obliczenia neuronowe i proste odruchy , takie jak odruchy ucieczki i inne kontrolowane przez centralne generatory wzorców .

Zobacz też

Uwagi

  1. ^ Ogólnie, chociaż ten prosty opis inicjacji potencjału czynnościowego jest dokładny, nie wyjaśnia on zjawisk takich jak blok wzbudzenia (zdolność do zapobiegania wzbudzaniu potencjałów czynnościowych przez neurony poprzez stymulowanie ich dużymi krokami prądowymi) oraz zdolność do wywoływania potencjałów czynnościowych przez krótko hiperpolaryzuje błonę. Jednak analizując dynamikę systemu kanałów sodowych i potasowych w łatce błony za pomocą modeli obliczeniowych , zjawiska te można łatwo wyjaśnić.
  2. ^ Zauważ, że te włókna Purkinjego włóknami mięśniowymi i nie są spokrewnione z komórkami Purkinjego , które są neuronami znajdującymi się w móżdżku .

Bibliografia

Przypisy

artykuły prasowe

Książki

strony internetowe

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki

Posłuchaj tego artykułu ( 10 minut )
Mówiona ikona Wikipedii
Ten plik audio został utworzony na podstawie rewizji tego artykułu z dnia 22 czerwca 2005 r. i nie odzwierciedla kolejnych edycji. ( 2005-06-22 )