Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
A. Схематическое изображение идеализированного потенциала действия иллюстрирует его различные фазы, когда потенциал действия проходит через точку на клеточной мембране . B. Фактические записи потенциалов действия часто искажаются по сравнению со схематическим изображением из-за различий в электрофизиологических методах, используемых для записи.

В электрофизиологии , то пороговый потенциал является критическим уровнем , к которому мембранный потенциал должен быть деполяризован инициировать потенциал действия . В неврологии пороговые потенциалы необходимы для регулирования и распространения сигналов как в центральной нервной системе (ЦНС), так и в периферической нервной системе (ПНС).

Чаще всего, пороговый потенциал является величиной мембранного потенциала от -50 до -55 мВ , [1] , но может варьироваться в зависимости от нескольких факторов. Нейрон «ы мембранный потенциал покоя (-70 мВ) может быть изменено либо увеличения или уменьшения вероятности достижения порога с помощью натрия и калия ионов. Приток натрия в клетку через открытые, управляемые напряжением натриевые каналы может деполяризовать мембрану выше порогового значения и, таким образом, возбуждать ее, в то время как отток калия или приток хлорида может гиперполяризовать клетку и, таким образом, препятствовать достижению порогового значения.

Открытие [ править ]

Первоначальные эксперименты вращались вокруг концепции, что любое электрическое изменение, которое происходит в нейронах, должно происходить под действием ионов. Немецкий физико-химик Вальтер Нернст применил эту концепцию в экспериментах по обнаружению нервной возбудимости и пришел к выводу, что локальный процесс возбуждения через полупроницаемую мембрану зависит от концентрации ионов. Также было показано, что концентрация ионов является ограничивающим фактором возбуждения. Если бы правильная концентрация ионов была достигнута, возбуждение обязательно произошло бы. [2] Это было основой для определения порогового значения.

Наряду с реконструкцией потенциала действия в 1950-х годах Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли также смогли экспериментально определить механизм, стоящий за порогом возбуждения. Она известна как модель Ходжкина – Хаксли . Используя методы фиксации напряжения на гигантском аксоне кальмара, они обнаружили, что возбудимые тканиобычно демонстрируют явление, согласно которому должен быть достигнут определенный мембранный потенциал, чтобы сработать потенциал действия. Поскольку эксперимент дал результаты, наблюдая за изменениями ионной проводимости, Ходжкин и Хаксли использовали эти термины для обсуждения порогового потенциала. Первоначально они предположили, что должна быть неоднородность проводимости натрия или калия, но на самом деле обе проводимости имели тенденцию плавно изменяться вместе с мембранным потенциалом. [3]

Вскоре они обнаружили, что при пороговом потенциале входящие и исходящие токи ионов натрия и калия, соответственно, в точности равны и противоположны. В отличие от мембранного потенциала покоя , условия порогового потенциала демонстрируют баланс токов, которые были нестабильными. Нестабильность относится к тому факту, что любая дальнейшая деполяризация активирует еще больше управляемых напряжением натриевых каналов, и входящий ток деполяризации натрия преодолевает задержанный выходящий ток калия. [4]С другой стороны, на уровне покоя потоки калия и натрия стабильно равны и противоположны, что не должно приводить к внезапному непрерывному потоку ионов. Основа состоит в том, что на определенном уровне деполяризации, когда токи равны и противоположны нестабильно, любое дальнейшее попадание положительного заряда генерирует потенциал действия. Это конкретное значение деполяризации (в мВ) иначе известно как пороговый потенциал.

Физиологические функции и характеристики [ править ]

Пороговое значение определяет, достаточны ли входящие стимулы для создания потенциала действия. Он основан на балансе входящих тормозных и возбуждающих стимулов. Потенциалы, генерируемые стимулами, являются аддитивными, и они могут достигать порога в зависимости от их частоты и амплитуды. Нормальное функционирование центральной нервной системы влечет за собой суммирование синаптических входов, поступающих в основном на дендритное дерево нейрона. Эти локальные градиентные потенциалы, которые в первую очередь связаны с внешними стимулами, достигают начального сегмента аксона и накапливаются, пока им не удается достичь порогового значения. [5] Чем больше стимул, тем сильнее деполяризация., или попытайтесь достичь порогового значения. Задача деполяризации требует нескольких ключевых шагов, которые зависят от анатомических факторов клетки. Участвующие ионные проводимости зависят от мембранного потенциала, а также времени после изменения мембранного потенциала. [6]

Мембранный потенциал покоя [ править ]

Фосфолипидный бислой из клеточной мембраны , сам по себе, в высшей степени непроницаемый для ионов. Полная структура клеточной мембраны включает множество белков, которые встроены в липидный бислой или полностью пересекают его. Некоторые из этих белков допускают высокоспецифический проход ионов, ионных каналов . Каналы утечки калия позволяют калию проходить через мембрану в ответ на несоответствие концентраций калия внутри (высокая концентрация) и вне клетки (низкая). Потеря положительных (+) зарядов ионов калия (K +) изнутри клетки приводит к возникновению там отрицательного потенциала по сравнению с внеклеточной поверхностью мембраны. [7]Гораздо меньшая «утечка» натрия (Na +) в ячейку приводит к тому, что фактический потенциал покоя, около –70 мВ, оказывается менее отрицательным, чем расчетный потенциал для одного только K +, равновесный потенциал, около –90 мВ. [7] натрия-калия АТФазы является активным переносчика в мембране , что насосы (2 ионы) обратно калия в клетку и натрия (3 ионов) из клетки, поддержание концентрации обоих ионов, а также сохранение поляризации напряжения .

Деполяризация [ править ]

Однако, как только стимул приводит в действие управляемые по напряжению натриевые каналы, чтобы открыться, положительные ионы натрия наводняют ячейку, и напряжение увеличивается. Этот процесс также может быть инициирован связыванием лиганда или нейромедиатора с лиганд-управляемым каналом . Больше натрия находится вне клетки по сравнению с внутренней, и положительный заряд внутри клетки способствует оттоку ионов калия через калиевые каналы выпрямителя с задержкой по напряжению. Поскольку калиевые каналы внутри клеточной мембраны задерживаются, любое дальнейшее проникновение натрия активирует все больше и больше потенциал-управляемых натриевых каналов. Деполяризация выше порога приводит к увеличению проводимости Na, достаточному для движения натрия внутрь, чтобы немедленно подавить движение калия наружу. [3]Если приток ионов натрия не достигает порогового значения, то проводимость натрия не увеличивается в достаточной степени, чтобы преодолеть проводимость калия в состоянии покоя. В этом случае в некоторых типах нейронов наблюдаются подпороговые колебания мембранного потенциала . В случае успеха внезапный приток положительного заряда деполяризует мембрану, и калий задерживается в восстановлении или гиперполяризации клетки. Приток натрия деполяризует клетку в попытке установить свой собственный равновесный потенциал (около +52 мВ), чтобы сделать внутреннюю часть клетки более положительной по сравнению с внешней.

Варианты [ править ]

Значение порога может варьироваться в зависимости от множества факторов. Изменения ионной проводимости натрия или калия могут привести как к повышению, так и к понижению порогового значения. Кроме того, диаметр аксона, плотность активируемых напряжением натриевых каналов и свойства натриевых каналов в аксоне - все это влияет на пороговое значение. [8]Обычно в аксоне или дендрите возникают небольшие деполяризующие или гиперполяризующие сигналы, возникающие в результате предшествующего стимула. Пассивное распространение этих сигналов зависит от пассивных электрических свойств клетки. Сигналы могут продолжаться вдоль нейрона, чтобы вызвать дальнейшее снижение потенциала действия, если они достаточно сильны, чтобы преодолеть сопротивление и емкость клеточной мембраны. Например, нейрон с большим диаметром имеет больше ионных каналов в своей мембране, чем меньшая клетка, что приводит к более низкому сопротивлению потоку ионного тока. Ток распространяется быстрее в клетке с меньшим сопротивлением и с большей вероятностью достигнет порога в других частях нейрона. [3]

Также экспериментально было показано, что пороговый потенциал адаптируется к медленным изменениям входных характеристик путем регулирования плотности натриевых каналов, а также инактивации этих натриевых каналов в целом. Гиперполяризация калиевых каналов замедленного выпрямителя вызывает относительный рефрактерный период.это значительно затрудняет достижение порога. Калиевые каналы с задержанным выпрямителем ответственны за позднюю фазу выхода потенциала действия, когда они открываются при другом стимуле напряжения по сравнению с быстро активируемыми натриевыми каналами. Они исправляют или восстанавливают баланс ионов через мембрану, открывая и позволяя калию течь вниз по градиенту его концентрации изнутри наружу клетки. Они также закрываются медленно, в результате чего наружу выходит положительный заряд, превышающий необходимый баланс. Это приводит к избыточному негативу в клетке, требующему чрезвычайно сильного стимула и, как следствие, деполяризации, чтобы вызвать ответ.

Методы отслеживания [ править ]

Методы порогового отслеживания проверяют возбудимость нервов и зависят от свойств аксональных мембран и участков стимуляции. Они чрезвычайно чувствительны к мембранному потенциалу и изменениям этого потенциала. Эти тесты могут измерять и сравнивать контрольный порог (или порог покоя) с порогом, вызванным изменением окружающей среды, предшествующим одиночным импульсом, последовательностью импульсов или подпороговым током. [9] Измерение изменений порога может указывать на изменения мембранного потенциала, свойств аксонов и / или целостности миелиновой оболочки.

Отслеживание пороговых значений позволяет компьютеру регулировать силу тестового стимула, чтобы активировать определенную часть максимального нервного или мышечного потенциала. Эксперимент по отслеживанию порога состоит из стимула длительностью 1 мс, применяемого к нерву через равные промежутки времени. [10]Потенциал действия регистрируется после пускового импульса. Стимул автоматически уменьшается с шагом в заданный процент до тех пор, пока реакция не упадет ниже цели (создание потенциала действия). После этого стимул повышается или понижается в зависимости от того, был ли предыдущий ответ меньшим или большим, чем целевой ответ, до тех пор, пока не будет установлен порог покоя (или контроля). Затем можно изменить возбудимость нервов, изменив нервную среду или применив дополнительные токи. Поскольку значение единичного порогового тока дает мало ценной информации, поскольку оно варьируется внутри и между субъектами, пары пороговых измерений сравнивают контрольный порог с порогами, вызванными рефрактерностью, сверхнормальностью, постоянной времени силы-продолжительности или «пороговым электротонусом».более полезны в научных и клинических исследованиях.[11]

Порог слежения имеет преимущества перед другими электрофизиологическими методами, такими как метод постоянного стимула. Этот метод позволяет отслеживать изменения пороговых значений в динамическом диапазоне 200% и в целом дает больше информации о свойствах аксонов, чем другие тесты. [12] Кроме того, этот метод позволяет задавать количественное значение изменения порога, которое при математическом преобразовании в процентное соотношение можно использовать для сравнения отдельных волокон и мультиволоконных препаратов, различных участков нейронов и возбудимости нервов у разных видов. [12]

«Пороговый электротонус» [ править ]

Особым методом порогового отслеживания является пороговый электротонус , который использует настройку порогового отслеживания для создания длительных подпороговых деполяризующих или гиперполяризационных токов внутри мембраны. Изменения возбудимости клеток можно наблюдать и регистрировать, создавая эти длительные токи. Снижение порога очевидно при обширной деполяризации, а повышение порога очевидно при обширной гиперполяризации. При гиперполяризации происходит увеличение сопротивления межузловой мембраны из-за закрытия калиевых каналов, и результирующий участок «разветвляется». Деполяризация имеет противоположный эффект, активируя калиевые каналы, создавая сюжет, который «разворачивается». [13]

Наиболее важным фактором, определяющим пороговый электротонус, является мембранный потенциал, поэтому пороговый электротонус также можно использовать как показатель мембранного потенциала. Кроме того, его можно использовать для определения характеристик серьезных медицинских состояний путем сравнения воздействия этих состояний на пороговый потенциал с эффектами, наблюдаемыми экспериментально. Например, ишемия и деполяризация вызывают тот же эффект «раздувания», что и формы волны электротонуса. Это наблюдение приводит к выводу, что ишемия может быть результатом чрезмерной активации калиевых каналов. [14]

Клиническое значение [ править ]

Роль порогового потенциала была задействована в клиническом контексте, а именно в функционировании самой нервной системы, а также сердечно-сосудистой системы.

Лихорадочные припадки [ править ]

Фебрильные судороги , или «лихорадка формы», это судорога связан с существенным повышением температуры тела , происходит чаще всего в раннем детстве. Повторные эпизоды фебрильных судорог у детей связаны с повышенным риском височной эпилепсии во взрослом возрасте. [15]

При записи « патч-зажим» аналогичное состояние было воспроизведено in vitro в кортикальных нейронах крыс после индукции фебрильной температуры тела; наблюдалось заметное снижение порогового потенциала. Механизм этого снижения, возможно, включает подавление ингибирования, опосредованного рецептором ГАМК В, с чрезмерным тепловым воздействием. [15]

БАС и диабет [ править ]

Нарушения возбудимости нейронов были отмечены у пациентов с боковым амиотрофическим склерозом и диабетом . Хотя механизм, в конечном итоге ответственный за расхождение между этими двумя состояниями, различается, тесты, проведенные через реакцию на ишемию, по иронии судьбы указывают на аналогичную устойчивость к ишемии и, как следствие, парестезии. Поскольку ишемия возникает из-за ингибирования натрий-калиевого насоса, следовательно, возникают нарушения порогового потенциала. [12]

Arrythmia [ править ]

С 1940-х годов утвердилась концепция диастолической деполяризации или «пейсмекерного потенциала»; этот механизм является характерной особенностью сердечной ткани. [16] Когда порог достигнут и возникающий в результате потенциал действия срабатывает, в результате взаимодействий возникает сердцебиение; однако, когда это сердцебиение происходит нерегулярно, может возникнуть потенциально серьезное состояние, известное как аритмия .

Использование лекарств [ править ]

Разнообразные препараты могут вызывать удлинение интервала QT как побочный эффект. Увеличение этого интервала является результатом задержки инактивации натриевых и кальциевых каналов; без надлежащей инактивации канала пороговый потенциал достигается преждевременно, что приводит к аритмии. [17] Эти препараты, известные как проаритмические средства, включают противомикробные препараты, нейролептики, метадон и, как ни странно, антиаритмические средства . [18] Использование таких агентов особенно часто в отделениях интенсивной терапии, и следует проявлять особую осторожность при удлинении интервалов QT у таких пациентов: аритмии в результате удлинения интервалов QT включают потенциально фатальные torsades de pointes , или TdP.[17]

Роль диеты [ править ]

Диета может зависеть от риска развития аритмии. Полиненасыщенные жирные кислоты , содержащиеся в рыбьем жире и некоторых растительных маслах [19], играют роль в предотвращении аритмий. [20] Путем подавления зависящего от напряжения натриевого тока эти масла смещают пороговый потенциал к более положительному значению; следовательно, потенциал действия требует повышенной деполяризации. [20] Клиническое терапевтическое использование этих экстрактов остается предметом исследований, но установлена ​​сильная корреляция между регулярным потреблением рыбьего жира и более низкой частотой госпитализации по поводу фибрилляции предсердий, тяжелой и все более распространенной аритмии. [21]

Заметки [ править ]

  1. ^ Seifter 2005 , стр. 55.
  2. Перейти ↑ Rushton 1927 , p. 358.
  3. ^ a b c Николлс 2012 , стр. 121.
  4. Перейти ↑ Nicholls 2012 , p. 122.
  5. Перейти ↑ Stuart 1997 , p. 127.
  6. ^ Траутвайн тысячи девятьсот шестьдесят три , р. 330.
  7. ^ a b Николлс 2012 , стр. 144.
  8. ^ Траутвайн 1963 , стр. 281.
  9. ^ Босток 1997 , стр. 137.
  10. ^ Босток 1997 , стр. 138.
  11. Перейти ↑ Burke 2001 , p. 1576.
  12. ^ a b c Bostock 1997 , стр. 141.
  13. Перейти ↑ Burke 2001 , p. 1581.
  14. ^ Босток 1997 , стр. 150.
  15. ^ a b Wang 2011 , стр. 87.
  16. ^ Monfredi 2010 , стр. 1392.
  17. ^ a b Нельсон 2011 , стр. 292.
  18. Перейти ↑ Nelson 2011 , p. 291.
  19. ^ «Полиненасыщенные жиры» . Американская кардиологическая ассоциация . Проверено 22 мая 2018 .
  20. ^ а б Савельева 2010 , с. 213.
  21. ↑ Савельева, 2010 , с. 213–215.

Ссылки [ править ]

  • Босток, Хью; Цикурел, Катя; Берк, Дэвид (1998). «Методы порогового отслеживания при исследовании периферических нервов человека». Мышцы и нервы . 21 (2): 137–158. DOI : 10.1002 / (SICI) 1097-4598 (199802) 21: 2 <137 :: AID-MUS1> 3.0.CO; 2-C .
  • Берк, D; Кирнан, Мэтью С; Босток, Хью (2001). «Возбудимость аксонов человека». Клиническая нейрофизиология . 112 (9): 1575–1585. DOI : 10.1016 / S1388-2457 (01) 00595-8 .
  • Монфреди, О; Добжиньски, H; Мондаль, Т; Boyett, MR; Моррис, GM (2010). «Анатомия и физиология синоатриального узла - современный обзор». Электрокардиостимуляция и клиническая электрофизиология . 33 (11): 1392–1406. DOI : 10.1111 / j.1540-8159.2010.02838.x . PMID  20946278 .
  • Нельсон, S; Люнг, Дж (2011). «Продление QTc в отделении интенсивной терапии: обзор агентов-нарушителей». AACN Advanced Critical Care . 22 (4): 289–295. DOI : 10.1097 / NCI.0b013e31822db49d . PMID  22064575 .
  • Николлс, JG; Мартин, штат Арканзас; Fuchs, PA; Браун, DA; Diamond, ME; Вейсблат Д.А. (2012). От нейрона к мозгу (5-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc.
  • Раштон, Вашингтон (1927). «Влияние на порог нервного возбуждения длины обнаженного нерва и угла между током и нервом» . Журнал физиологии . 63 (4): 357–377. DOI : 10.1113 / jphysiol.1927.sp002409 . PMC  1514939 . PMID  16993895 .
  • Савельева, я; Курлиурос, Антониос; Камм, Джон (2010). «Первичная и вторичная профилактика фибрилляции предсердий статинами и полиненасыщенными жирными кислотами: обзор доказательств и клиническая значимость». Архив фармакологии Наунин-Шмидеберг . 381 (3): 207–219. DOI : 10.1007 / s00210-009-0468-у . PMID  19937318 .
  • Зейфтер, Джулиан; Ратнер, Остин; Слоан, Дэвид (2005). Концепции медицинской физиологии . Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 978-0781744898.
  • Стюарт, G; Spruston, N; Сакманн, Б; Häusser, M (1997). «Инициирование потенциала действия и обратное распространение в нейронах ЦНС млекопитающих» (PDF) . Тенденции в неврологии . 20 (3): 125–131. DOI : 10.1016 / S0166-2236 (96) 10075-8 . PMID  9061867 .
  • Траутвайн, W (1963). «Генерация и проведение импульсов в сердце под воздействием лекарств». Фармакологические обзоры . 15 (2): 277–332.
  • Ван, Y; Цинь, Дж; Хан, Y; Цай, Дж; Син, G (2011). «Гипертермия вызывает эпилептиформные разряды в культивируемых корковых нейронах крыс». Исследование мозга . 1417 : 87–102. DOI : 10.1016 / j.brainres.2011.08.027 . PMID  21907327 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Носек, Томас М. «Раздел 1 / 1ч4 / с1ч4_8» . Основы физиологии человека . Архивировано из оригинала на 2016-03-24.
  • Описание на cameron.edu
  • Схема на nih.gov