Потенциал действия

Когда потенциал действия (нервный импульс) движется вниз по аксону, происходит изменение полярности через мембрану аксона. В ответ на сигнал от другого нейрона , управляемые натрием (Na ⁺ ) и калием (K ⁺ ) ионные каналы открываются и закрываются, когда мембрана достигает своего порогового потенциала . Каналы Na ⁺ открываются в начале потенциала действия, и Na ⁺ перемещается в аксон, вызывая деполяризацию . Реполяризация происходит, когда каналы K ⁺ открываются и K ⁺выходит из аксона, создавая изменение полярности между внешней и внутренней частью клетки. Импульс проходит вниз по аксону только в одном направлении, к концу аксона, где он сигнализирует другим нейронам.

В физиологии , потенциал действия ( AP ) возникает , когда мембранный потенциал конкретного клеточного местоположения быстро поднимается и опускается: ^[1] Эта деполяризация затем вызывает соседние местоположения аналогично деполяризации. Потенциалы действия возникают в нескольких типах клеток животных , называемых возбудимыми клетками, которые включают нейроны , мышечные клетки , эндокринные клетки и некоторые клетки растений .

В нейронах потенциалы действия играют центральную роль в межклеточной коммуникации , обеспечивая - или в отношении скачкообразной проводимости , помогая - распространение сигналов вдоль аксона нейрона к синаптическим бутонам, расположенным на концах аксона; эти сигналы могут затем связываться с другими нейронами в синапсах, или с моторными клетками или железами. В других типах клеток их основная функция - активировать внутриклеточные процессы. В мышечных клетках, например, потенциал действия является первым шагом в цепи событий, ведущих к сокращению. В бета - клетки этих поджелудочной железы , они вызывают высвобождение инсулина . ^[а]Потенциалы действия в нейронах также известны как « нервные импульсы » или « спайки », а временная последовательность потенциалов действия, генерируемых нейроном, называется его « цепочкой спайков ». Нейрон, излучающий потенциал действия или нервный импульс, часто называют «стреляющим».

Потенциалы действия генерируются специальными типами потенциалзависимых ионных каналов, встроенных в плазматическую мембрану клетки . ^[b] Эти каналы закрываются, когда мембранный потенциал близок к (отрицательному) потенциалу покоя клетки, но они быстро начинают открываться, если мембранный потенциал увеличивается до точно определенного порогового напряжения, деполяризуя трансмембранный потенциал. ^[b] Когда каналы открываются, они пропускают внутрь поток натрия.ионы, которые изменяют электрохимический градиент, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение мембранного потенциала до нуля. Это затем приводит к открытию большего количества каналов, создавая больший электрический ток через клеточную мембрану и так далее. Процесс продолжается до тех пор, пока не откроются все доступные ионные каналы, что приводит к значительному скачку мембранного потенциала. Быстрый приток ионов натрия вызывает изменение полярности плазматической мембраны, и ионные каналы затем быстро инактивируются. Когда натриевые каналы закрываются, ионы натрия больше не могут проникать в нейрон, и тогда они активно транспортируются обратно из плазматической мембраны. Калийканалы затем активируются, и происходит выходящий ток ионов калия, возвращающий электрохимический градиент в состояние покоя. После возникновения потенциала действия возникает кратковременный отрицательный сдвиг, называемый постгиперполяризацией .

В клетках животных существует два основных типа потенциалов действия. Один тип генерируется потенциалозависимыми натриевыми каналами , другой - потенциалозависимыми кальциевыми каналами. Потенциалы действия на основе натрия обычно длятся менее одной миллисекунды, но потенциалы действия на основе кальция могут длиться до 100 миллисекунд или дольше. ^{[ необходима цитата ]} В некоторых типах нейронов медленные выбросы кальция обеспечивают движущую силу для длительного всплеска быстро испускаемых выбросов натрия. В клетках сердечной мышцы, с другой стороны, начальный быстрый всплеск натрия обеспечивает «праймер», чтобы спровоцировать быстрое начало всплеска кальция, который затем вызывает сокращение мышц. ^{[ необходима цитата ]}

Обзор [ править ]

Почти все клеточные мембраны животных, растений и грибов поддерживают разницу напряжений между внешней и внутренней частями клетки, называемую мембранным потенциалом . Типичное напряжение на мембране клетки животного составляет -70 мВ. Это означает, что внутри ячейки имеется отрицательное напряжение по отношению к внешней стороне. В большинстве типов клеток мембранный потенциал обычно остается довольно постоянным. Однако некоторые типы ячеек являются электрически активными в том смысле, что их напряжение колеблется со временем. В некоторых типах электрически активных клеток, включая нейроны и мышечные клетки, колебания напряжения часто принимают форму быстрого всплеска вверх, за которым следует быстрое падение. Эти восходящие и нисходящие циклы известны какпотенциалы действия . В некоторых типах нейронов весь цикл «вверх-вниз» занимает несколько тысячных долей секунды. В мышечных клетках типичный потенциал действия длится около одной пятой секунды. В некоторых других типах клеток и растений потенциал действия может длиться три секунды и более. ^[2]

Электрические свойства клетки определяются структурой окружающей ее мембраны. Клеточная мембрана состоит из липидного бислой молекул , в которых заделаны крупные молекулы белка. Липидный бислой очень устойчив к движению электрически заряженных ионов, поэтому он действует как изолятор. Напротив, крупные встроенные в мембрану белки обеспечивают каналы, через которые ионы могут проходить через мембрану. Потенциалы действия управляются белками каналов, конфигурация которых переключается между закрытым и открытым состояниями в зависимости от разницы напряжений между внутренней и внешней частью клетки. Эти чувствительные к напряжению белки известны как ионные каналы с регулируемым напряжением .

Процесс в типичном нейроне [ править ]

Все клетки в тканях тела животных электрически поляризованы - другими словами, они поддерживают разность напряжений на плазматической мембране клетки , известную как мембранный потенциал . Эта электрическая поляризация является результатом сложного взаимодействия между белковыми структурами, встроенными в мембрану, называемыми ионными насосами и ионными каналами . В нейронах типы ионных каналов в мембране обычно различаются в разных частях клетки, давая дендритам , аксону и телу клетки.разные электрические свойства. В результате некоторые части мембраны нейрона могут быть возбудимыми (способны генерировать потенциалы действия), тогда как другие - нет. Недавние исследования показали, что наиболее возбудимая часть нейрона - это часть после бугорка аксона (точка, где аксон выходит из тела клетки), которая называется начальным сегментом, но аксон и тело клетки также в большинстве случаев возбудимы. . ^[3]

Каждый возбудимый участок мембраны имеет два важных уровня мембранного потенциала: потенциал покоя , который представляет собой значение, которое мембранный потенциал поддерживает до тех пор, пока ничто не беспокоит клетку, и более высокое значение, называемое пороговым потенциалом . На бугорке аксона типичного нейрона потенциал покоя составляет около -70 милливольт (мВ), а пороговый потенциал составляет около -55 мВ. Синаптические входы в нейрон вызывают деполяризацию или гиперполяризацию мембраны; то есть они вызывают повышение или понижение мембранного потенциала. Потенциалы действия срабатывают, когда накапливается достаточно деполяризации, чтобы довести мембранный потенциал до порогового значения. Когда срабатывает потенциал действия, мембранный потенциал резко поднимается вверх, а затем столь же резко возвращается вниз, часто заканчиваясь ниже уровня покоя, где он остается в течение некоторого периода времени. Форма потенциала действия стереотипна; это означает, что подъем и спад обычно имеют примерно одинаковую амплитуду и ход во времени для всех потенциалов действия в данной клетке. (Исключения обсуждаются далее в статье). В большинстве нейронов весь процесс происходит примерно за тысячную долю секунды. Многие типы нейронов постоянно излучают потенциалы действия со скоростью до 10–100 в секунду. Однако некоторые виды намного тише,

Биофизические основы [ править ]

Потенциалы действия возникают из-за наличия в клеточной мембране особых типов потенциалзависимых ионных каналов . ^[4] Потенциально-зависимый ионный канал - это кластер белков, встроенных в мембрану, который обладает тремя ключевыми свойствами:

1. Он способен принимать более одной конформации.
2. По крайней мере, одна из конформаций создает канал через мембрану, проницаемый для определенных типов ионов.
3. На переход между конформациями влияет мембранный потенциал.

Таким образом, потенциал-зависимый ионный канал имеет тенденцию быть открытым для одних значений мембранного потенциала и закрытым для других. Однако в большинстве случаев взаимосвязь между мембранным потенциалом и состоянием канала является вероятностной и включает временную задержку. Ионные каналы переключаются между конформациями в непредсказуемое время: мембранный потенциал определяет скорость переходов и вероятность в единицу времени каждого типа перехода.

Управляемые напряжением ионные каналы способны создавать потенциалы действия, потому что они могут вызывать петли положительной обратной связи : мембранный потенциал контролирует состояние ионных каналов, но состояние ионных каналов контролирует мембранный потенциал. Таким образом, в некоторых ситуациях повышение мембранного потенциала может вызвать открытие ионных каналов, тем самым вызывая дальнейшее повышение мембранного потенциала. Потенциал действия возникает, когда этот цикл положительной обратной связи ( цикл Ходжкина) происходит взрывоопасно. Время и амплитуда траектории потенциала действия определяются биофизическими свойствами потенциалзависимых ионных каналов, которые его создают. Существует несколько типов каналов, способных производить положительную обратную связь, необходимую для создания потенциала действия. Управляемые напряжением натриевые каналы отвечают за быстрые потенциалы действия, участвующие в нервной проводимости. Потенциалы замедленного действия в мышечных клетках и некоторых типах нейронов генерируются потенциалозависимыми кальциевыми каналами. Каждый из этих типов имеет несколько вариантов с разной чувствительностью к напряжению и разной временной динамикой.

Наиболее интенсивно изучаемый тип потенциалзависимых ионных каналов - это натриевые каналы, участвующие в быстрой нервной проводимости. Они иногда известны как натриевые каналы Ходжкина-Хаксли , потому что они впервые были характерны Алана Ходжкина и Эндрю Хаксли в своих Нобель призовое исследований биофизики потенциала действия, но может быть более удобно упоминается как Na _V каналов. («V» означает «напряжение».) Канал Na _V имеет три возможных состояния: деактивирован , активирован и деактивирован . Канал проницаем только для ионов натрия, когда он находится в активированном состоянии.государственный. При низком мембранном потенциале канал большую часть времени находится в деактивированном (закрытом) состоянии. Если мембранный потенциал поднимается выше определенного уровня, канал показывает повышенную вероятность перехода в активированное (открытое) состояние. Чем выше мембранный потенциал, тем больше вероятность активации. После активации канал в конечном итоге переходит в неактивное (закрытое) состояние. Затем он имеет тенденцию оставаться неактивным в течение некоторого времени, но, если мембранный потенциал снова становится низким, канал в конечном итоге переходит обратно в деактивированное состояние. Во время потенциала действия большинство каналов этого типа проходят цикл деактивировано → активировано.→ инактивировано → деактивировано . Однако это только среднее поведение населения - отдельный канал в принципе может осуществить любой переход в любое время. Однако вероятность перехода канала из неактивированного состояния непосредственно в активированное состояние очень мала: канал в неактивированном состоянии является невосприимчивым до тех пор, пока он не перейдет обратно в деактивированное состояние.

Результатом всего этого является то, что кинетика каналов Na _V управляется переходной матрицей, скорости которой сложным образом зависят от напряжения. Поскольку эти каналы сами по себе играют важную роль в определении напряжения, глобальную динамику системы может быть довольно сложно определить. Ходжкин и Хаксли подошли к проблеме, разработав систему дифференциальных уравнений для параметров, которые управляют состояниями ионных каналов, известных как уравнения Ходжкина-Хаксли . Эти уравнения были значительно изменены более поздними исследованиями, но они составляют отправную точку для большинства теоретических исследований биофизики потенциала действия.

По мере увеличения мембранного потенциала каналы ионов натрия открываются, позволяя ионам натрия проникать в клетку. После этого открываются каналы для ионов калия, через которые ионы калия выходят из клетки. Входящий поток ионов натрия увеличивает концентрацию положительно заряженных катионов в клетке и вызывает деполяризацию, при которой потенциал клетки выше, чем потенциал покоя клетки.. Натриевые каналы закрываются на пике потенциала действия, в то время как калий продолжает покидать клетку. Отток ионов калия снижает мембранный потенциал или гиперполяризует клетку. При небольшом увеличении напряжения из состояния покоя ток калия превышает ток натрия, и напряжение возвращается к своему нормальному значению в состоянии покоя, обычно -70 мВ. ^{[5] [6] [7]} Однако, если напряжение превышает критический порог, обычно на 15 мВ выше, чем значение в состоянии покоя, преобладает натриевый ток. Это приводит к неуправляемому состоянию, при котором положительная обратная связь от натриевого тока активирует еще больше натриевых каналов. Таким образом, клетка срабатывает , создавая потенциал действия. ^{[5] [8] [9][примечание 1]} Частота, с которой нейрон вырабатывает потенциалы действия, часто называется скоростью возбуждения или частотой возбуждения нейронов .

Токи, возникающие при открытии управляемых по напряжению каналов в ходе действия потенциала действия, обычно значительно превышают начальный стимулирующий ток. Таким образом, амплитуда, продолжительность и форма потенциала действия в значительной степени определяются свойствами возбудимой мембраны, а не амплитудой или продолжительностью стимула. Это свойство потенциала действия по принципу " все или ничего" отличает его от градуированных потенциалов, таких как рецепторные потенциалы , электротонические потенциалы , подпороговые колебания мембранного потенциала и синаптические потенциалы., которые масштабируются в зависимости от величины стимула. Различные типы потенциала действия существуют во многих типах клеток и клеточных компартментах, что определяется типами управляемых по напряжению каналов, каналов утечки , распределением каналов, концентрацией ионов, емкостью мембраны, температурой и другими факторами.

Основными ионами, участвующими в потенциале действия, являются катионы натрия и калия; Ионы натрия попадают в клетку, а ионы калия уходят, восстанавливая равновесие. Относительно небольшое количество ионов должно пересечь мембрану, чтобы напряжение на мембране резко изменилось. Ионы, обмениваемые во время потенциала действия, поэтому вызывают незначительное изменение внутренней и внешней концентрации ионов. Немногочисленные пересекающиеся ионы снова откачиваются за счет непрерывного действия натрий-калиевого насоса , который вместе с другими переносчиками ионов поддерживает нормальное соотношение концентраций ионов через мембрану. Катионы кальция и анионы хлорида участвуют в нескольких типах потенциалов действия, таких какпотенциал действия на сердце и потенциал действия одноклеточной водоросли Acetabularia , соответственно.

Хотя потенциалы действия генерируются локально на участках возбудимой мембраны, результирующие токи могут запускать потенциалы действия на соседних участках мембраны, ускоряя распространение, подобное домино. В отличие от пассивного распространения электрических потенциалов ( электротонический потенциал ), потенциалы действия генерируются заново вдоль возбудимых участков мембраны и распространяются без распада. ^[10] Миелинизированные участки аксонов не возбудимы и не производят потенциалов действия, а сигнал передается пассивно в виде электротонического потенциала . Регулярно расположенные немиелинизированные пятна, называемые узлами Ранвье , генерируют потенциалы действия для усиления сигнала. Известен как скачкообразное проведение, этот тип распространения сигнала обеспечивает благоприятный компромисс между скоростью сигнала и диаметром аксона. Деполяризация окончаний аксонов , как правило, запускает выброс нейромедиатора в синаптическую щель . Кроме того, потенциалы действия обратного распространения были зарегистрированы в дендритах пирамидных нейронов , которые повсеместно встречаются в неокортексе. ^[c] Считается, что они играют роль в пластичности, зависящей от времени спайков .

В модели емкости мембраны Ходжкина-Хаксли скорость передачи потенциала действия не была определена, и предполагалось, что соседние области становятся деполяризованными из-за высвобождающейся ионной интерференции с соседними каналами. Измерения диффузии ионов и радиусов с тех пор показали, что это невозможно. ^{[ необходима цитата ]} Более того, противоречивые измерения изменений энтропии и времени оспаривают модель емкости как действующую в одиночку. ^{[ необходима цитата ] В} качестве альтернативы, гипотеза адсорбции Гилберта Линга утверждает, что мембранный потенциал и потенциал действия живой клетки обусловлены адсорбцией мобильных ионов на адсорбционные сайты клеток. ^[11]

Созревание электрических свойств потенциала действия [ править ]

А нейрона способность «сек генерировать и распространять действие , возможные изменения в процессе развития . Насколько мембранный потенциал нейрона изменяется в результате импульса тока, зависит от входного сопротивления мембраны . По мере роста клетки к мембране добавляется больше каналов , вызывая уменьшение входного сопротивления. Зрелый нейрон также претерпевает более короткие изменения мембранного потенциала в ответ на синаптические токи. Нейроны из латерального коленчатого ядра хорька имеют более длительную постоянную времени и большее отклонение напряжения в точке P0, чем в точке P30. ^[12]Одним из следствий уменьшения продолжительности потенциала действия является то, что точность сигнала может быть сохранена в ответ на высокочастотную стимуляцию. Незрелые нейроны более склонны к синаптической депрессии, чем к потенциации после высокочастотной стимуляции. ^[12]

На раннем этапе развития многих организмов потенциал действия фактически изначально переносится кальциевым, а не натриевым током . Открытия и закрытие кинетики кальциевых каналов во время развития медленнее , чем у напряжения закрытого натриевых каналов , которые будут осуществлять потенциал действия в зрелых нейронах. Более длительное время открытия кальциевых каналов может привести к тому, что потенциалы действия будут значительно ниже, чем у зрелых нейронов. ^[12] Нейроны Xenopus изначально имеют потенциалы действия, которые занимают 60–90 мс. В процессе разработки это время уменьшается до 1 мс. Это резкое снижение объясняется двумя причинами. Во-первых, входящий токпереносится преимущественно по натриевым каналам. ^[13] Во- вторых, задержанный выпрямителя , А калиевый канал тока, увеличивается до 3,5 раз по сравнению с начальной прочностью. ^[12]

Для перехода от кальций-зависимого потенциала действия к натрий-зависимому потенциалу действия в мембрану должны быть добавлены новые каналы. Если нейроны Xenopus выращиваются в среде с ингибиторами синтеза РНК или белка , этот переход предотвращается. ^[14] Даже электрическая активность самой клетки может играть роль в экспрессии каналов. Если потенциалы действия в миоцитах Xenopus заблокированы, типичное увеличение плотности тока натрия и калия предотвращается или задерживается. ^[15]

Это созревание электрических свойств наблюдается у всех видов. Потоки натрия и калия Xenopus резко возрастают после того, как нейрон проходит заключительную фазу митоза . Плотность натриевого тока корковых нейронов крыс увеличивается на 600% в течение первых двух постнатальных недель. ^[12]

Нейротрансмиссия [ править ]

Анатомия нейрона [ править ]

Некоторые типы клеток поддерживают потенциал действия, такие как клетки растений, мышечные клетки и специализированные клетки сердца (в которых возникает потенциал действия сердца ). Однако главной возбудимой клеткой является нейрон , у которого также есть простейший механизм потенциала действия.

Нейроны представляют собой электрически возбудимые клетки, состоящие, как правило, из одного или нескольких дендритов, одной сомы , одного аксона и одного или нескольких окончаний аксона . Дендриты - это клеточные проекции, основная функция которых - принимать синаптические сигналы. Их выступы, известные как дендритные шипы , предназначены для захвата нейротрансмиттеров, выделяемых пресинаптическим нейроном. Они имеют высокую концентрацию ионных каналов, управляемых лигандами . Эти шипы имеют тонкую шейку, соединяющую луковичный выступ с дендритом. Это гарантирует, что изменения, происходящие внутри позвоночника, с меньшей вероятностью повлияют на соседние позвоночники. Дендритный отросток может, за редким исключением (см. LTP), действуют как независимая единица. Дендриты отходят от сомы, в которой находится ядро , и многие из «нормальных» эукариотических органелл. В отличие от шипов, поверхность сомы населена ионными каналами, активируемыми напряжением. Эти каналы помогают передавать сигналы, генерируемые дендритами. Из сомы выходит аксонный бугорок . Эта область характеризуется очень высокой концентрацией активируемых напряжением натриевых каналов. В общем, это считается зоной инициирования всплеска для потенциалов действия ^[16], то есть зоной срабатывания триггера.. Здесь сходятся многочисленные сигналы, генерируемые позвоночником и передаваемые сомой. Сразу после бугорка аксона находится аксон. Это тонкий трубчатый выступ, отходящий от сомы. Аксон изолирован миелиновой оболочкой. Миелин состоит либо из шванновских клеток (в периферической нервной системе), либо из олигодендроцитов (в центральной нервной системе), которые являются типами глиальных клеток . Хотя глиальные клетки не участвуют в передаче электрических сигналов, они общаются и обеспечивают важную биохимическую поддержку нейронов. ^[17]Точнее говоря, миелин несколько раз оборачивается вокруг аксонального сегмента, образуя толстый жировой слой, который не позволяет ионам проникать в аксон или выходить из него. Эта изоляция предотвращает значительное затухание сигнала, а также обеспечивает более высокую скорость сигнала. Эта изоляция, однако, имеет ограничение, заключающееся в том, что на поверхности аксона не может быть никаких каналов. Таким образом, существуют регулярно расположенные участки мембраны, которые не имеют изоляции. Эти узлы Ранвье можно рассматривать как «бугорки мини-аксонов», так как их цель - усилить сигнал, чтобы предотвратить значительный распад сигнала. На самом дальнем конце аксон теряет изоляцию и начинает разветвляться на несколько окончаний аксона.. Эти пресинаптические окончания или синаптические бутоны представляют собой специализированную область в аксоне пресинаптической клетки, которая содержит нейротрансмиттеры, заключенные в небольшие мембраносвязанные сферы, называемые синаптическими пузырьками .

Инициирование [ править ]

Прежде чем рассматривать распространение потенциалов действия вдоль аксонов и их прекращение на синаптических выступах, полезно рассмотреть методы, с помощью которых потенциалы действия могут быть инициированы на бугорке аксона . Основное требование - чтобы напряжение на мембране на бугре было выше порога выстрела. ^{[5] [6] [18] [19]} Эта деполяризация может происходить несколькими способами.

Динамика [ править ]

Потенциалы действия чаще всего инициируются возбуждающими постсинаптическими потенциалами пресинаптического нейрона. ^[20] Обычно молекулы нейротрансмиттеров высвобождаются пресинаптическим нейроном . Затем эти нейротрансмиттеры связываются с рецепторами постсинаптической клетки. Это связывание открывает различные типы ионных каналов . Это открытие имеет дополнительный эффект изменения локальной проницаемости клеточной мембраны.и, таким образом, мембранный потенциал. Если связывание увеличивает напряжение (деполяризует мембрану), синапс становится возбуждающим. Однако, если связывание снижает напряжение (гиперполяризует мембрану), оно является тормозящим. Независимо от того, увеличивается или уменьшается напряжение, изменение пассивно распространяется на близлежащие области мембраны (как описано уравнением кабеля и его уточнениями). Обычно стимул напряжения спадает экспоненциально с расстоянием от синапса и со временем от связывания нейромедиатора. Некоторая часть возбуждающего напряжения может достигать бугорка аксона и может (в редких случаях) деполяризовать мембрану в достаточной степени, чтобы вызвать новый потенциал действия. Чаще всего возбуждающие потенциалы из нескольких синапсов должны работать вместе.в почти то же самое время , чтобы спровоцировать новый потенциал действия. Однако их совместным усилиям может помешать противодействие тормозным постсинаптическим потенциалам .

Нейротрансмиссия также может происходить через электрические синапсы . ^[21] Благодаря прямой связи между возбудимыми клетками в виде щелевых контактов , потенциал действия может передаваться напрямую от одной клетки к другой в любом направлении. Свободный поток ионов между клетками обеспечивает быструю передачу, не опосредованную химическими веществами. Выпрямляющие каналы гарантируют, что потенциалы действия движутся только в одном направлении через электрический синапс. ^{[ необходима цитата ]} Электрические синапсы обнаружены во всех нервных системах, включая человеческий мозг, хотя они составляют явное меньшинство. ^[22]

Принцип «все или ничего» [ править ]

Амплитуда потенциала действия не зависит от величины тока , который произвел его. Другими словами, большие токи не создают больших потенциалов действия. Следовательно, потенциалы действия называются сигналами " все или ничего" , поскольку они либо проявляются полностью, либо не возникают вовсе. ^{[d] [e] [f]} В этом отличие от рецепторных потенциалов , амплитуды которых зависят от интенсивности стимула. ^[23] В обоих случаях частота потенциалов действия коррелирует с интенсивностью стимула.

Сенсорные нейроны [ править ]

В сенсорных нейронах внешний сигнал, такой как давление, температура, свет или звук, связан с открытием и закрытием ионных каналов , которые, в свою очередь, изменяют ионную проницаемость мембраны и ее напряжение. ^[24] Эти изменения напряжения могут снова быть возбуждающими (деполяризующими) или тормозящими (гиперполяризационными), а в некоторых сенсорных нейронах их комбинированные эффекты могут деполяризовать бугорок аксона в достаточной степени, чтобы вызвать потенциалы действия. Некоторые примеры у людей включают нейрон обонятельного рецептора и тельце Мейснера , которые имеют решающее значение для обоняния и осязания., соответственно. Однако не все сенсорные нейроны преобразуют свои внешние сигналы в потенциалы действия; у некоторых нет даже аксона. ^[25] Вместо этого они могут преобразовывать сигнал в высвобождение нейротрансмиттера или в непрерывные градиентные потенциалы , каждый из которых может стимулировать последующий нейрон (ы) на запуск потенциала действия. Для иллюстрации, в человеческом ухе , клетки волос преобразует поступающий звук в открытие и закрытие механически закрытых ионных каналов , которые могут вызвать нейромедиатора молекулы , которые будут освобождены. Аналогичным образом в сетчатке человека исходные фоторецепторные клеткии следующий слой клеток (включающий биполярные клетки и горизонтальные клетки ) не производят потенциалов действия; только некоторые амакриновые клетки и третий слой, ганглиозные клетки , производят потенциалы действия, которые затем перемещаются по зрительному нерву .

Возможности кардиостимулятора [ править ]

В сенсорных нейронах потенциалы действия возникают в результате внешнего раздражителя. Однако некоторым возбудимым клеткам не нужен такой стимул для срабатывания: они спонтанно деполяризуют бугорки аксонов и запускают потенциалы действия с регулярной скоростью, как внутренние часы. ^[26] Следы напряжения таких клеток известны как потенциалы кардиостимулятора . ^[27] В кардиостимулятор клетки синусового узла в сердце обеспечивают хороший пример. ^[g] Хотя такие потенциалы кардиостимулятора имеют естественный ритм , он может регулироваться внешними раздражителями; например, частота сердечных сокращений может быть изменена фармацевтическими препаратами, а также сигналами отсимпатические и парасимпатические нервы. ^[28] Внешние стимулы не вызывают повторяющихся срабатываний клетки, а просто изменяют время их действия. ^[27] В некоторых случаях регулирование частоты может быть более сложным, что приводит к паттернам потенциалов действия, таким как взрыв .

Фазы [ править ]

Ход потенциала действия можно разделить на пять частей: фаза нарастания, фаза пика, фаза спада, фаза недорега и рефрактерный период. Во время фазы роста мембранный потенциал деполяризуется (становится более положительным). Точка, в которой прекращается деполяризация, называется фазой пика. На этом этапе мембранный потенциал достигает максимума. Вслед за этим наступает фаза падения. На этом этапе мембранный потенциал становится более отрицательным, возвращаясь к потенциалу покоя. Недостаток или постгиперполяризация, фаза - это период, в течение которого мембранный потенциал временно становится более отрицательно заряженным, чем в состоянии покоя (гиперполяризован). Наконец, время, в течение которого последующий потенциал действия невозможно или трудно задействовать, называется рефрактерным периодом , который может перекрываться с другими фазами. ^[29]

Ход потенциала действия определяется двумя связанными эффектами. ^[30] Во-первых, чувствительные к напряжению ионные каналы открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного напряжения V _m . Это изменяет проницаемость мембраны для этих ионов. ^[31] Во-вторых, согласно уравнению Гольдмана , это изменение проницаемости изменяет равновесный потенциал E _m и, таким образом, мембранное напряжение V _m . ^[h] Таким образом, мембранный потенциал влияет на проницаемость, которая затем дополнительно влияет на мембранный потенциал. Это создает возможность для положительной обратной связи., который является ключевой частью фазы роста потенциала действия. ^{[5] [8]} Осложняющим фактором является то, что один ионный канал может иметь несколько внутренних «ворот», которые реагируют на изменения V _m противоположным образом или с разной скоростью. ^{[32] [i]} Например, хотя повышение V _m открывает большинство ворот в чувствительном к напряжению натриевом канале, оно также закрывает «ворота инактивации» канала, хотя и медленнее. ^[33] Следовательно, когда V _m внезапно повышается, натриевые каналы сначала открываются, но затем закрываются из-за более медленной инактивации.

Напряжения и токи потенциала действия во всех его фазах были смоделированы точно, Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли в 1952 году, ^[I] , для которых они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1963 году ^[β] Тем не менее, их Модель рассматривает только два типа потенциалочувствительных ионных каналов и делает несколько предположений о них, например, что их внутренние ворота открываются и закрываются независимо друг от друга. На самом деле существует много типов ионных каналов ^[34], и они не всегда открываются и закрываются независимо друг от друга. ^[j]

Фаза стимуляции и подъема [ править ]

Типичный потенциал действия начинается на бугорке аксона ^[35] с достаточно сильной деполяризации, например стимулом, увеличивающим V _m . Эта деполяризация часто вызывается введением в клетку дополнительных катионов натрия ; эти катионы могут поступать из самых разных источников, таких как химические синапсы , сенсорные нейроны или потенциалы кардиостимуляторов .

Для нейрона в состоянии покоя существует высокая концентрация ионов натрия и хлорида во внеклеточной жидкости по сравнению с внутриклеточной жидкостью , в то время как во внутриклеточной жидкости наблюдается высокая концентрация ионов калия по сравнению с внеклеточной жидкостью. Разница в концентрациях, которая заставляет ионы переходить от высокой к низкой концентрации , и электростатические эффекты (притяжение противоположных зарядов) ответственны за движение ионов внутрь и из нейрона. Внутренняя часть нейрона имеет отрицательный заряд по отношению к внешней части клетки из-за движения K ⁺ из клетки. Мембрана нейрона более проницаема для K ⁺чем к другим ионам, позволяя этому иону выборочно перемещаться из клетки, вниз по градиенту его концентрации. Этот градиент концентрации вместе с каналами утечки калия, присутствующими на мембране нейрона, вызывает отток ионов калия, делая потенциал покоя близким к E _K  ≈ –75 мВ. ^[36] Так как ионы Na ⁺ находятся в более высоких концентрациях вне клетки, разница в концентрации и напряжении заставляет их попасть в клетку, когда каналы Na ⁺ открываются. Деполяризация открывает как натриевые, так и калиевые каналы в мембране, позволяя ионам проникать в аксон и выходить из него соответственно. Если деполяризация мала (скажем, увеличение V_м от -70 мВ до -60 мВ), выходящий калиевый ток подавляет входящий натриевый ток, и мембрана реполяризуется обратно к своему нормальному потенциалу покоя около -70 мВ. ^{[5] [6] [7]} Однако, если деполяризация достаточно велика, входящий натриевый ток увеличивается больше, чем выходящий калиевый ток, и возникает условие разгона ( положительная обратная связь ): чем больше входящий ток, тем больше V _m увеличивается, что, в свою очередь, еще больше увеличивает входящий ток. ^{[5] [8]} Достаточно сильная деполяризация (увеличение V _m ) вызывает открытие чувствительных к напряжению натриевых каналов; повышенная проницаемость для натриевых двигателейV _m ближе к равновесному напряжению натрия E _Na ≈ +55 мВ. Повышение напряжения, в свою очередь, вызывает открытие еще большего количества натриевых каналов, что еще больше подталкивает V _m к E _Na . Эта положительная обратная связь продолжается до тех пор, пока натриевые каналы не откроются полностью и V _{m не} станет близким к E _Na . ^{[5] [6] [37] [38]} Резкий рост V _m и проницаемости для натрия соответствует возрастающей фазе потенциала действия. ^{[5] [6] [37] [38]}

Критическое пороговое напряжение для этого состояния разгона обычно составляет около -45 мВ, но оно зависит от недавней активности аксона. Клетка, которая только что активировала потенциал действия, не может немедленно запустить другую, поскольку каналы Na ⁺ не восстановились из неактивированного состояния. Период, в течение которого не может быть запущен новый потенциал действия, называется периодом абсолютной рефрактерности . ^{[39] [40] [41]} В более длительные периоды времени, после восстановления некоторых, но не всех ионных каналов, аксон можно стимулировать для выработки другого потенциала действия, но с более высоким порогом, требующим гораздо более сильной деполяризации, например, до −30 мВ. Период, в течение которого потенциалы действия вызвать необычно трудно, называется периодомотносительный рефрактерный период . ^{[39] [40] [41]}

Пиковая фаза [ править ]

Положительная обратная связь нарастающей фазы замедляется и прекращается, когда каналы ионов натрия становятся максимально открытыми. На пике потенциала действия проницаемость для натрия максимальна, и напряжение на мембране V _m почти равно равновесному напряжению натрия E _Na . Однако то же повышенное напряжение, которое первоначально открывало натриевые каналы, также медленно закрывает их, закрывая поры; натриевые каналы становятся неактивными . ^[33]Это снижает проницаемость мембраны для натрия по сравнению с калием, возвращая напряжение на мембране к исходному значению. В то же время повышенное напряжение открывает чувствительные к напряжению калиевые каналы; увеличение проницаемости калия мембраны приводит в V _м в направлении E _K . ^[33] Вместе эти изменения проницаемости для натрия и калия приводят к быстрому падению V _m , реполяризации мембраны и возникновению «фазы падения» потенциала действия. ^{[39] [42] [38] [43]}

После гиперполяризации [ править ]

Деполяризованное напряжение открывает дополнительные зависимые от напряжения калиевые каналы, и некоторые из них не закрываются сразу же, когда мембрана возвращается к своему нормальному напряжению покоя. Кроме того, дополнительные калиевые каналы открываются в ответ на приток ионов кальция во время потенциала действия. Внутриклеточная концентрация ионов калия является транзиторно необычно низкой, в результате чего мембрана напряжения V _м еще ближе к калиевой равновесного напряжения Е _К . Мембранный потенциал опускается ниже мембранного потенциала покоя. Следовательно, существует недорез или гиперполяризация , называемая постгиперполяризацией., который сохраняется до тех пор, пока проницаемость мембраны для калия не вернется к своему обычному значению, восстанавливая мембранный потенциал до состояния покоя. ^{[44] [42]}

Рефрактерный период [ править ]

За каждым потенциалом действия следует рефрактерный период , который можно разделить на абсолютно рефрактерный период , в течение которого невозможно вызвать другой потенциал действия, и затем на относительный рефрактерный период , в течение которого требуется более сильный, чем обычно, стимул. ^{[39] [40] [41]} Эти два рефрактерных периода вызваны изменениями в состоянии молекул натриевых и калиевых каналов. При закрытии после потенциала действия натриевые каналы переходят в «инактивированное» состояние., в котором они не могут открыться независимо от мембранного потенциала - это приводит к абсолютному рефрактерному периоду. Даже после того, как достаточное количество натриевых каналов перешло обратно в свое состояние покоя, часто случается, что часть калиевых каналов остается открытой, что затрудняет деполяризацию мембранного потенциала и, таким образом, вызывает относительный рефрактерный период. Поскольку плотность и подтипы калиевых каналов могут сильно различаться между разными типами нейронов, продолжительность относительного рефрактерного периода сильно варьируется.

Абсолютный рефрактерный период в значительной степени отвечает за однонаправленное распространение потенциалов действия вдоль аксонов. ^[45] В любой данный момент участок аксона позади активно выступающей части является рефрактерным, но участок впереди, не активировавшийся в последнее время, способен стимулироваться деполяризацией от потенциала действия.

Распространение [ править ]

Потенциал действия, генерируемый на бугорке аксона, распространяется как волна вдоль аксона. ^[46] Токи, текущие внутрь в точке аксона во время потенциала действия, распространяются вдоль аксона и деполяризуют соседние участки его мембраны. Если эта деполяризация достаточно сильна, она вызывает аналогичный потенциал действия на соседних участках мембраны. Этот основной механизм был продемонстрирован Аланом Ллойдом Ходжкином в 1937 году. После раздавливания или охлаждения нервных сегментов и, таким образом, блокировки потенциалов действия, он показал, что потенциал действия, приходящий на одну сторону блока, может спровоцировать другой потенциал действия на другой, при условии, что заблокированный сегмент был достаточно коротким. ^[k]

Как только на участке мембраны проявился потенциал действия, мембранному участку требуется время для восстановления, прежде чем он сможет снова выстрелить. На молекулярном уровне этот период абсолютной рефрактерности соответствует времени, необходимому для активированных напряжением натриевых каналов, чтобы восстановиться после инактивации, то есть вернуться в свое закрытое состояние. ^[40]В нейронах существует много типов калиевых каналов, активируемых напряжением. Некоторые из них деактивируются быстро (токи типа А), а некоторые инактивируются медленно или не деактивируются совсем; эта изменчивость гарантирует, что всегда будет доступный источник тока для реполяризации, даже если некоторые калиевые каналы инактивированы из-за предшествующей деполяризации. С другой стороны, все нейронные активируемые напряжением натриевые каналы инактивируются в течение нескольких миллисекунд во время сильной деполяризации, что делает последующую деполяризацию невозможной до тех пор, пока значительная часть натриевых каналов не вернется в свое закрытое состояние. Хотя он ограничивает частоту возбуждения ^[47], абсолютный рефрактерный период гарантирует, что потенциал действия движется только в одном направлении вдоль аксона. ^[45]Токи, протекающие из-за потенциала действия, распространяются в обоих направлениях вдоль аксона. ^[48] Однако только незажженная часть аксона может отвечать потенциалом действия; часть, которая только что сработала, не реагирует, пока потенциал действия не выйдет за пределы допустимого диапазона, и не сможет рестимулировать эту часть. При обычной ортодромной проводимости потенциал действия распространяется от бугорка аксона к синаптическим выступам (концам аксона); распространение в противоположном направлении - известное как антидромная проводимость - очень редко. ^[49]Однако, если лабораторный аксон стимулируется в его середине, обе половины аксона остаются «свежими», т. Е. Необожженными; тогда будут генерироваться два потенциала действия: один движется к бугорку аксона, а другой - к синаптическим выступам.

Миелиновая и скачкообразная проводимость [ править ]

Чтобы обеспечить быструю и эффективную передачу электрических сигналов в нервной системе, определенные нейрональные аксоны покрыты миелиновыми оболочками. Миелин - это многослойная мембрана, которая охватывает аксон сегментами, разделенными интервалами, известными как узлы Ранвье . Он вырабатывается специализированными клетками: шванновскими клетками исключительно периферической нервной системы и олигодендроцитами исключительно центральной нервной системой . Миелиновая оболочка снижает емкость мембраны и увеличивает сопротивление мембраны в межузловых интервалах, тем самым обеспечивая быстрое скачкообразное движение потенциалов действия от узла к узлу. ^{[l] [m] [n]}Миелинизация обнаруживается в основном у позвоночных , но аналогичная система была обнаружена у нескольких беспозвоночных, таких как некоторые виды креветок . ^[o] Не все нейроны позвоночных миелинизированы; например, аксоны нейронов, составляющих автономную нервную систему, обычно не миелинизированы.

Миелин предотвращает попадание ионов в аксон и его выход по миелинизированным сегментам. Как правило, миелинизация увеличивает скорость проведения потенциалов действия и делает их более энергоэффективными. Независимо от того, скачкообразно или нет, средняя скорость проведения потенциала действия колеблется от 1  метра в секунду (м / с) до более 100 м / с и, как правило, увеличивается с увеличением диаметра аксона. ^[п]

Потенциалы действия не могут распространяться через мембрану в миелинизированных сегментах аксона. Однако ток переносится цитоплазмой, чего достаточно для деполяризации первого или второго последующего узла Ранвье . Вместо этого ионный ток от потенциала действия в одном узле Ранвье провоцирует другой потенциал действия в следующем узле; это очевидное «скачкообразное изменение» потенциала действия от узла к узлу известно как скачкообразная проводимость . Хотя механизм скачкообразной проводимости был предложен в 1925 году Ральф Лилли, ^[д] первое экспериментальное доказательство скачкообразной проводимости пришли из Ичиджи Тасаки ^[г] и Тайцзи Такеучи ^{[s] [50]} и отЭндрю Хаксли и Роберт Штэмпфли. ^[t] Напротив, в немиелинизированных аксонах потенциал действия провоцирует другой потенциал в мембране, непосредственно прилегающей к нему, и непрерывно движется вниз по аксону, как волна.

Миелин имеет два важных преимущества: высокая скорость проводимости и энергоэффективность. Для аксонов больше минимального диаметра (примерно 1 микрометр ) миелинизация увеличивает скорость проводимости потенциала действия, как правило, в десять раз. ^[v] И наоборот, для данной скорости проводимости миелинизированные волокна меньше, чем их немиелинизированные аналоги. Например, потенциалы действия движутся примерно с одинаковой скоростью (25 м / с) в миелинизированном аксоне лягушки и немиелинизированном гигантском аксоне кальмара., но аксон лягушки имеет примерно в 30 раз меньший диаметр и в 1000 раз меньшую площадь поперечного сечения. Кроме того, поскольку ионные токи ограничиваются узлами Ранвье, гораздо меньше ионов «просачивается» через мембрану, экономя метаболическую энергию. Эта экономия является значительным селективным преимуществом , поскольку нервная система человека использует примерно 20% метаболической энергии организма. ^[v]

Длина миелинизированных сегментов аксонов важна для успеха скачкообразной проводимости. Они должны быть как можно более длинными, чтобы максимизировать скорость проводимости, но не настолько длинными, чтобы приходящий сигнал был слишком слабым, чтобы вызвать потенциал действия в следующем узле Ранвье. В природе миелинизированные сегменты обычно достаточно длинные для того, чтобы пассивно распространяемый сигнал прошел по крайней мере два узла, сохраняя при этом достаточную амплитуду, чтобы запустить потенциал действия во втором или третьем узле. Таким образом, коэффициент безопасности скачкообразной проводимости высок, что позволяет передаче обходить узлы в случае травмы. Однако потенциалы действия могут преждевременно заканчиваться в определенных местах, где коэффициент безопасности низкий, даже в немиелинизированных нейронах; распространенным примером является точка ветвления аксона, где он делится на два аксона.^[52]

Некоторые заболевания разрушают миелин и нарушают скачкообразную проводимость, снижая скорость проведения потенциалов действия. ^[w] Самым известным из них является рассеянный склероз , при котором распад миелина нарушает скоординированные движения. ^[53]

Теория кабеля [ править ]

Поток токов внутри аксона может быть количественно описан теорией кабеля ^[54] и ее разработками, такими как компартментальная модель. ^[55] Теория кабеля была разработана в 1855 году лордом Кельвином для моделирования трансатлантического телеграфного кабеля ^[x], и в 1946 году Ходжкином и Раштоном было показано, что она имеет отношение к нейронам . ^[Y] В простой теории кабеля нейрон рассматривается как электрически пассивный, идеально цилиндрический передающий кабель, который можно описать уравнением в частных производных ^[54]

${\displaystyle \tau {\frac {\partial V}{\partial t}}=\lambda ^{2}{\frac {\partial ^{2}V}{\partial x^{2}}}-V}$

где V ( x , t ) - напряжение на мембране в момент времени t и положение x по длине нейрона, и где λ и τ - характерная длина и временные масштабы, на которых эти напряжения спадают в ответ на стимул. . Обращаясь к принципиальной схеме справа, эти масштабы можно определить по сопротивлению и емкости на единицу длины. ^[56]

${\displaystyle \tau =\ r_{m}c_{m}\,}$

${\displaystyle \lambda ={\sqrt {\frac {r_{m}}{r_{\ell }}}}}$

Эти масштабы времени и длины можно использовать для понимания зависимости скорости проводимости от диаметра нейрона в немиелинизированных волокнах. Например, временной масштаб τ увеличивается как с сопротивлением мембраны r _{m, так} и с емкостью c _m . По мере увеличения емкости для получения заданного трансмембранного напряжения необходимо передать больше заряда (по уравнению Q  =  CV ); по мере увеличения сопротивления в единицу времени передается меньше заряда, что замедляет уравновешивание. Аналогичным образом, если внутреннее сопротивление на единицу длины r _iв одном аксоне меньше, чем в другом (например, потому что радиус первого больше), длина пространственного распада λ становится больше, и скорость проводимости потенциала действия должна увеличиваться. Если трансмембранное сопротивление r _m увеличивается, это снижает средний ток «утечки» через мембрану, аналогично увеличивая λ , увеличивая скорость проводимости.

Прекращение действия [ править ]

Химические синапсы [ править ]

Как правило, потенциалы действия, которые достигают синаптических выступов, вызывают выброс нейротрансмиттера в синаптическую щель. ^[z] Нейротрансмиттеры - это небольшие молекулы, которые могут открывать ионные каналы в постсинаптической клетке; большинство аксонов имеют один и тот же нейромедиатор на всех концах. Прибытие потенциала действия открывает чувствительные к напряжению кальциевые каналы в пресинаптической мембране; приток кальция заставляет везикулы, заполненные нейротрансмиттером, мигрировать к поверхности клетки и высвобождать свое содержимое в синаптическую щель . ^[aa] Этот сложный процесс ингибируется нейротоксинами, тетаноспазмином и ботулиническим токсином., которые вызывают столбняк и ботулизм соответственно. ^[ab]

Электрические синапсы [ править ]

Некоторые синапсы обходятся без «посредника» нейротрансмиттера и соединяют вместе пресинаптические и постсинаптические клетки. ^[ac] Когда потенциал действия достигает такого синапса, ионные токи, текущие в пресинаптическую клетку, могут пересечь барьер двух клеточных мембран и проникнуть в постсинаптическую клетку через поры, известные как коннексоны . ^[ad] Таким образом, ионные токи пресинаптического потенциала действия могут напрямую стимулировать постсинаптическую клетку. Электрические синапсы обеспечивают более быструю передачу, потому что они не требуют медленной диффузии нейротрансмиттеров через синаптическую щель. Следовательно, электрические синапсы используются всякий раз, когда решающее значение имеют быстрая реакция и координация времени, например, в рефлексах бегства., То сетчатка из позвоночных , и сердце .

Нервно-мышечные соединения [ править ]

Особый случай химического синапса является нервно - мышечного соединения , в котором аксон о наличии двигательных нейронов оканчивается на мышечных волокон . ^[ae] В таких случаях высвобождаемый нейротрансмиттер представляет собой ацетилхолин , который связывается с рецептором ацетилхолина, интегральным мембранным белком в мембране ( сарколемме ) мышечного волокна. ^[af] Однако ацетилхолин не остается связанным; скорее, он диссоциирует и гидролизуется ферментом ацетилхолинэстеразой., расположенный в синапсе. Этот фермент быстро снижает раздражение мышц, что позволяет деликатно регулировать степень и время мышечного сокращения. Некоторые яды инактивируют ацетилхолинэстеразу для предотвращения этого контроля, например, нервно-паралитические агенты зарин и табун , ^[аг] и инсектициды диазинон и малатион . ^[ах]

Другие типы ячеек [ править ]

Потенциалы сердечного действия [ править ]

Потенциал сердечного действия отличается от потенциала действия нейронов наличием расширенного плато, при котором мембрана удерживается под высоким напряжением в течение нескольких сотен миллисекунд, прежде чем будет реполяризована током калия, как обычно. ^[ai] Это плато происходит из-за действия более медленного открытия кальциевых каналов и удержания мембранного напряжения около их равновесного потенциала даже после того, как натриевые каналы инактивированы.

Потенциал сердечного действия играет важную роль в координации сердечных сокращений. ^[ai] Сердечные клетки синоатриального узла обеспечивают потенциал кардиостимулятора, который синхронизирует сердце. Потенциалы действия этих клеток распространяются в атриовентрикулярный узел (АВ-узел) и через него, который обычно является единственным проводящим путем между предсердиями и желудочками . Потенциалы действия от АВ-узла проходят через пучок Гиса и оттуда к волокнам Пуркинье . ^{[заметка 2]}И наоборот, аномалии потенциала сердечной деятельности - будь то из-за врожденной мутации или травмы - могут привести к патологиям человека, особенно аритмиям . ^[ai] Некоторые противоаритмические препараты действуют на потенциал сердечного действия, такие как хинидин , лидокаин , бета-блокаторы и верапамил . ^[aj]

Мышечные потенциалы действия [ править ]

Потенциал действия в нормальной клетке скелетных мышц аналогичен потенциалу действия в нейронах. ^[57] Потенциалы действия возникают в результате деполяризации клеточной мембраны ( сарколеммы ), которая открывает чувствительные к напряжению натриевые каналы; они становятся инактивированными, и мембрана реполяризуется за счет выходящего тока ионов калия. Потенциал покоя перед потенциалом действия обычно составляет -90 мВ, что несколько более отрицательно, чем у типичных нейронов. Потенциал действия мышцы длится примерно 2–4 мс, абсолютный рефрактерный период составляет примерно 1–3 мс, а скорость проводимости по мышце составляет примерно 5 м / с. Потенциал действия высвобождает ионы кальция , которые высвобождают тропомиозин.и позвольте мышце сократиться. Потенциалы мышечного действия провоцируются прибытием пресинаптического нейронального потенциала действия в нервно-мышечное соединение , которое является общей мишенью для нейротоксинов . ^[ag]

Потенциалы действия растений [ править ]

Клетки растений и грибов ^[ак] также электрически возбудимы. Принципиальное отличие от потенциалов действий животных является то , что деполяризация в растительных клетках не достигается путем поглощения положительных ионов натрия, но выделение отрицательных хлоридных ионов. ^{[al] [am] [an]} Увеличение количества ионов кальция в цитоплазме может быть причиной выброса анионов в клетку. Это делает кальций предшественником движений ионов, таких как приток отрицательных ионов хлора и отток положительных ионов калия, как это видно на листьях ячменя. ^[58]

Первоначальный приток ионов кальция также вызывает небольшую клеточную деполяризацию, вызывая открытие потенциал-зависимых ионных каналов и позволяя полной деполяризации распространяться ионами хлорида.

Некоторые растения (например, Dionaea muscipula ) используют каналы, управляемые натрием, для управления движениями и, по сути, «счета». Dionaea muscipula , также известная как венерина мухоловка, встречается в субтропических болотах Северной и Южной Каролины. ^[59] При недостатке питательных веществ в почве мухоловка питается насекомыми и животными. ^[60] Несмотря на исследования этого растения, отсутствует понимание молекулярной основы венерианской мухоловки и хищных растений в целом. ^[61]

Тем не менее, было проведено множество исследований потенциалов действия и того, как они влияют на движение и часовой механизм венерианской мухоловки. Для начала, мембранный потенциал покоя венерианской мухоловки ниже, чем у животных клеток. ^[61] Это упрощает активацию потенциала действия. Таким образом, когда насекомое попадает в ловушку растения, оно запускает механорецептор, похожий на волосы. ^[61] Этот рецептор затем активирует потенциал действия, который длится около 1,5 мс. ^[62] В конечном итоге это вызывает увеличение количества положительных ионов кальция в клетке, слегка деполяризуя ее.

Однако мухоловка не закрывается после одного срабатывания. Вместо этого требуется активация 2 или более волосков. ^{[60] [61]} Если срабатывает только один волос, активация выдается как ложное срабатывание. Кроме того, вторые волосы должны быть активированы в течение определенного интервала времени (0,75 - 40 с), чтобы они зарегистрировались при первой активации. ^[61] Таким образом, накопление кальция начинается и медленно падает с первого триггера. Когда второй потенциал действия срабатывает в пределах временного интервала, он достигает порогового значения кальция для деполяризации клетки, закрывая ловушку на добыче за доли секунды. ^[61]

Вместе с последующим высвобождением положительных ионов калия потенциал действия у растений включает осмотическую потерю соли (KCl). Принимая во внимание, что потенциал действия животных осмотически нейтрален, потому что равные количества поступающего натрия и выходящего калия осмотически компенсируют друг друга. Взаимодействие электрических и осмотических отношений в растительных клетках ^{[ао], по-} видимому, возникло из-за осмотической функции электрической возбудимости у общих одноклеточных предков растений и животных в меняющихся условиях засоления. Кроме того, настоящая функция быстрой передачи сигнала рассматривается как новое достижение клеток многоклеточных животных в более стабильной осмотической среде. ^[63]Вероятно, что известная сигнальная функция потенциалов действия у некоторых сосудистых растений (например, Mimosa pudica ) возникла независимо от таковой в возбудимых клетках многоклеточных животных.

Таксономическое распределение и эволюционные преимущества [ править ]

Потенциалы действия обнаруживаются во всех многоклеточных организмах , включая растения , беспозвоночных, таких как насекомые , и позвоночных, таких как рептилии и млекопитающие . ^[ap] Губки , по-видимому, являются основным типом многоклеточных эукариот, которые не передают потенциалы действия, хотя некоторые исследования показали, что эти организмы также имеют форму передачи электрических сигналов. ^[aq] Потенциал покоя, а также размер и продолжительность потенциала действия не сильно менялись в процессе эволюции, хотя скорость проводимости действительно сильно зависит от диаметра аксона и миелинизации.

Учитывая его сохранение на протяжении всей эволюции, потенциал действия, кажется, дает эволюционные преимущества. Одна из функций потенциалов действия - это быстрая передача сигналов на большие расстояния внутри организма; скорость проводимости может превышать 110 м / с, что составляет одну треть скорости звука . Для сравнения, молекула гормона, переносимая кровотоком, движется со скоростью примерно 8 м / с в крупных артериях. Частью этой функции является тесная координация механических событий, таких как сокращение сердца. Вторая функция - это вычисление, связанное с его генерацией. Будучи сигналом типа "все или ничего", который не затухает с увеличением расстояния передачи, потенциал действия имеет те же преимущества, что и цифровая электроника.. Интеграция различных дендритных сигналов на бугорке аксона и их пороговая обработка для формирования сложной последовательности потенциалов действия - это еще одна форма вычислений, которая использовалась биологически для формирования центральных генераторов паттернов и имитировалась в искусственных нейронных сетях .

Считается, что общий предок прокариот / эукариот, который жил около четырех миллиардов лет назад, имел каналы, управляемые по напряжению. Эта функциональность, вероятно, в какой-то более поздний момент была перекрестной для обеспечения механизма связи. Даже современные одноклеточные бактерии могут использовать потенциалы действия для связи с другими бактериями в той же биопленке. ^[65]

Экспериментальные методы [ править ]

Изучение потенциалов действия потребовало разработки новых экспериментальных методов. Первоначальная работа, до 1955 года, была выполнена в основном Аланом Ллойдом Ходжкином и Эндрю Филдингом Хаксли , которые вместе с Джоном Кэрью Экклзом были удостоены Нобелевской премии 1963 года по физиологии и медицине за их вклад в описание ионной основы нервной системы. проводимость. Он был сосредоточен на трех целях: изолировать сигналы от отдельных нейронов или аксонов, разработать быструю, чувствительную электронику и уменьшить электроды, достаточные для регистрации напряжения внутри отдельной клетки.

Первая проблема была решена путем изучения гигантских аксонов, обнаруженных в нейронах кальмаров ( Loligo forbesii и Doryteuthis pealeii , в то время классифицированных как Loligo pealeii ). ^[ar] Эти аксоны настолько большие в диаметре (примерно 1 мм, или в 100 раз больше, чем типичный нейрон), что их можно увидеть невооруженным глазом, что позволяет легко извлекать их и манипулировать ими. ^{[i] [as]} Однако они не являются репрезентативными для всех возбудимых клеток, и многие другие системы с потенциалами действия были изучены.

Вторая проблема рассматривались с решающим развитием зажима напряжения , ^[в] , который позволил экспериментатор для изучения ионных токов , лежащих в основе потенциала действия в изоляции, и устранить ключевой источник электронного шума , ток I _C , связанный с емкостью C мембраны. ^[67] Поскольку ток в C раз больше скорости изменения трансмембранного напряжения V _m , решение заключалось в разработке схемы, которая поддерживала V _mфиксированная (нулевая скорость изменения) независимо от токов, протекающих через мембрану. Таким образом, ток, необходимый для поддержания V _m на фиксированном значении, является прямым отражением тока, протекающего через мембрану. Другие достижения в области электроники включали использование клеток Фарадея и электроники с высоким входным сопротивлением , так что само измерение не влияло на измеряемое напряжение. ^[68]

Третья проблема, проблема получения электродов, достаточно малых для регистрации напряжений внутри одного аксона, не нарушая его, была решена в 1949 году с изобретением стеклянного микропипеточного электрода ^[au], который был быстро принят другими исследователями. ^{[av] [aw]} Уточнения этого метода позволяют изготавливать наконечники электродов толщиной до 100 Å (10 нм ), что также обеспечивает высокий входной импеданс. ^[69] Потенциалы действия также могут быть записаны с помощью небольших металлических электродов, размещенных рядом с нейроном, с помощью нейрочипов, содержащих EOSFET , или оптически с помощью красителей, чувствительных к Ca 2+ или к напряжению.^[топор]

В то время как стекло микропипетки электроды измеряют сумму токов , проходящих через множество ионных каналов, изучение электрических свойств одного ионного канала стало возможным в 1970 - х с развитием зажима патч с помощью Erwin Neher и Берт Сакман . За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1991 году. ^[Γ] Фиксация пластыря подтвердила, что ионные каналы имеют дискретные состояния проводимости, такие как открытые, закрытые и инактивированные.

В последние годы были разработаны технологии оптической визуализации для измерения потенциалов действия либо путем одновременной записи на нескольких участках, либо с ультрапространственным разрешением. С помощью чувствительных к напряжению красителей потенциалы действия были оптически записаны с крошечного участка мембраны кардиомиоцитов . ^[ай]

Нейротоксины [ править ]

Некоторые нейротоксины , как естественные, так и синтетические, предназначены для блокирования потенциала действия. Тетродотоксин из Pufferfish и сакситоксина от Gonyaulax (в динофлагеллятном роде , ответственном за « красные приливы ») потенциалов действия блока путем ингибирования напряжения чувствительного натриевых каналов; ^[AZ] Аналогично, дендротоксин из черной мамбызмея подавляет чувствительный к напряжению калиевый канал. Такие ингибиторы ионных каналов служат важной исследовательской цели, позволяя ученым по желанию «отключать» определенные каналы, тем самым изолируя вклад других каналов; они также могут быть полезны для очистки ионных каналов с помощью аффинной хроматографии или для анализа их концентрации. Однако такие ингибиторы также вырабатывают эффективные нейротоксины и рассматриваются для использования в качестве химического оружия . Нейротоксины, нацеленные на ионные каналы насекомых, оказались эффективными инсектицидами ; одним из примеров является синтетический перметрин, который продлевает активацию натриевых каналов, участвующих в потенциалах действия. Ионные каналы насекомых достаточно отличаются от своих собратьев у человека, поэтому у людей мало побочных эффектов.

История [ править ]

Роль электричества в нервной системе животных впервые была обнаружена в расчлененных лягушка от Луиджи Гальвани , который изучал его с 1791 по 1797 ^[ба] Результатам Гальвани стимулировали Алессандро~d Вольта развивать груду Voltaic -The ранних известного электрического аккумулятор -с на котором он изучал электричество животных (например, электрических угрей ) и физиологические реакции на приложенное напряжение постоянного тока . ^[bb]

Ученые XIX века изучали распространение электрических сигналов по целым нервам (то есть пучкам нейронов ) и продемонстрировали, что нервная ткань состоит из клеток , а не из взаимосвязанной сети трубок ( ретикулума ). ^[70] Карло Маттеуччи продолжил исследования Гальвани и продемонстрировал, что клеточные мембраны имеют напряжение на себе и могут производить постоянный ток . Работа Маттеуччи вдохновила немецкого физиолога Эмиля дю Буа-Реймона , который открыл потенциал действия в 1843 году. ^[71] Скорость проводимостипотенциалов действия был впервые измерен в 1850 году другом дю Буа-Реймона, Германом фон Гельмгольцем . ^[72] Чтобы установить, что нервная ткань состоит из отдельных клеток, испанский врач Сантьяго Рамон-и-Кахаль и его ученики использовали краситель, разработанный Камилло Гольджи, чтобы выявить бесчисленные формы нейронов, которые они тщательно визуализировали. За свои открытия Гольджи и Рамон-и-Кахаль были удостоены Нобелевской премии по физиологии 1906 года . ^[δ] Их работа разрешила давние противоречия в нейроанатомии 19 века; Сам Гольджи выступал за сетевую модель нервной системы.

ХХ век был важной эпохой для электрофизиологии. В 1902 и 1912 годах Юлиус Бернштейн выдвинул гипотезу о том, что потенциал действия является результатом изменения проницаемости аксональной мембраны для ионов. ^{[bc] [73]} Гипотеза Бернштейна была подтверждена Кеном Коулом и Ховардом Кертисом, которые показали, что проводимость мембраны увеличивается во время потенциала действия. ^[bd] В 1907 году Луи Лапик предположил, что потенциал действия генерируется при переходе порога, ^[быть] тем, что позже будет показано как продукт динамических систем ионных проводимостей. В 1949 году Алан Ходжкини Бернард Кац уточнили гипотезу Бернштейна, посчитав, что аксональная мембрана может иметь разную проницаемость для разных ионов; в частности, они продемонстрировали решающую роль проницаемости для натрия для потенциала действия. ^[bf] Они сделали первую фактическую запись электрических изменений в нейрональной мембране, которые опосредуют потенциал действия. ^[ε] Это направление исследований завершилось пятью статьями Ходжкина, Каца и Эндрю Хаксли 1952 года , в которых они применили зажим напряженияМетодика определения зависимости проницаемости аксональной мембраны для ионов натрия и калия от напряжения и времени, на основании которой они смогли количественно восстановить потенциал действия. ^[i] Ходжкин и Хаксли коррелировали свойства своей математической модели с дискретными ионными каналами, которые могли существовать в нескольких различных состояниях, включая «открытое», «закрытое» и «инактивированное». Их гипотезы были подтверждены в середине 1970-х и 1980-х Эрвином Неером и Бертом Сакманном , которые разработали метод фиксации заплат для исследования состояний проводимости отдельных ионных каналов. ^[bg]В 21 веке исследователи начинают понимать структурную основу этих состояний проводимости и селективности каналов для их разновидностей иона ^[bh] через кристаллические структуры с атомным разрешением , измерения расстояния ^[bi] флуоресценции ^[bj] и криоэлектронно-микроскопические исследования. ^[bk]

Юлиус Бернштейн был также первым, кто ввел уравнение Нернста для потенциала покоя через мембрану; это было обобщенно Дэвид Э. Голдмана к одноименному уравнению Goldman в 1943 году ^[ч] насос натрия-калий был идентифицирован в 1957 г. ^{[бли] [ζ]} и его свойство постепенно выяснено, ^{[шй] [млрд] [бо]} кульминационных при определении его структуры с атомным разрешением методом рентгеновской кристаллографии . ^[bp] Кристаллическая структура связанных ионных насосов также была решена, что дает более широкое представление о том, как эти молекулярные машиныработай. ^[bq]

Количественные модели [ править ]

Математические и вычислительные модели необходимы для понимания потенциала действия и предлагают прогнозы, которые могут быть проверены на экспериментальных данных, обеспечивая строгую проверку теории. Наиболее важной и точной из ранних нейронных моделей является модель Ходжкина – Хаксли , которая описывает потенциал действия с помощью совокупности четырех обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). ^[i] Хотя модель Ходжкина-Хаксли может быть упрощением с небольшими ограничениями ^[74] по сравнению с реалистичной нервной мембраной в том виде, в каком она существует в природе, ее сложность послужила поводом для создания нескольких еще более упрощенных моделей ^{[75] [br],} таких как как модель Морриса – Лекара ^[bs] иМодель ФитцХью – Нагумо , ^[bt] каждая из которых имеет только два связанных ОДУ. Свойства моделей Ходжкина – Хаксли и ФитцХью – Нагумо и их родственников, таких как модель Бонхёффера – Ван дер Поля, ^[bu] хорошо изучены в математике ^{[76] [bv]} вычислениях ^[77] и электронике. ^[bw] Однако простые модели потенциала генератора и потенциала действия не могут точно воспроизвести близкую к пороговой частоту и форму нервных импульсов , особенно для механорецепторов, таких как тельца Пачини . ^[78]Более современные исследования были сосредоточены на более крупных и интегрированных системах; объединяя модели потенциала действия с моделями других частей нервной системы (таких как дендриты и синапсы), исследователи могут изучать нейронные вычисления ^[79] и простые рефлексы , такие как рефлексы бегства и другие, контролируемые центральными генераторами паттернов . ^{[80] [bx]}

См. Также [ править ]

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Сноски [ править ]

Статьи журнала [ править ]

Книги [ править ]

Веб-страницы [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Послушайте эту статью ( 10 минут )

Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 22 июня 2005 г. и не отражает последующих правок. (2005-06-22)

( Аудио справка  · Больше устных статей )

• Ионный поток в потенциалах действия в Blackwell Publishing
• Распространение потенциала действия в миелинизированных и немиелинизированных аксонах в Blackwell Publishing
• Генерация AP в клетках сердца и генерация AP в нейронных клетках
• Мембранный потенциал покоя из Life: The Science of Biology , WK Purves, D Sadava, GH Orians и HC Heller, 8-е издание, Нью-Йорк: WH Freeman, ISBN 978-0-7167-7671-0 . 
• Ионное движение и напряжение Гольдмана для произвольных концентраций ионов в Университете Аризоны
• Мультфильм, иллюстрирующий потенциал действия
• Распространение потенциала действия
• Создание потенциала действия: моделирование ограничения тока и напряжения ^{[ постоянная мертвая связь ]}
• Программное обеспечение с открытым исходным кодом для моделирования нейрональных и сердечных потенциалов действия на SourceForge.net
• Introduction to the Action Potential , Neuroscience Online (электронный учебник по нейробиологии, Университет штата Хьюстон, Медицинская школа)
• Khan Academy: Электротоника и потенциал действия