График потенциала действия на аксоне

Все живые клетки при действии различных
раздражителей (химических, механических,
температурных и пр.) способны переходить
в возбужденное состояние. Опыт показывает,
что возбужденный участок становится
электроотрицательным по отношению к
покоящемуся, что является показателем
перераспределения ионных потоков в
возбужденном участке. Реверсия потенциала
при возбуждении кратковременна, и после
окончания возбуждения через некоторое
время вновь восстанавливается исходный
потенциал покоя. Общее изменение разности
потенциалов на мембране, происходящее
при возбуждении клеток, называется
потенциалом действия. На рис. 11.17
представлен потенциал действия
гигантского аксона кальмара, обозначены
отдельные стадии изменения потенциала.
В частности, для клетки характерен так
называемый запаздывающий потенциал,
когда в течение некоторого времени на
мембране существует даже меньший
потенциал, чем потенциал покоя.

Было показано, что возбуждение связано
с увеличением электропроводности
клеточной мембраны. При этом временная
зависимость электропроводимости
повторяла форму потенциала действия.
Чтобы решить вопрос, для каких ионов
изменяется проницаемость мембраны,
следует обратить внимание, что потенциал
действия приводит к кратковременному
возрастанию потенциала внутри клетки
(см. рис. 11.17). Отрицательный относительно
внешней среды потенциал становится
положительным. Если по уравнению Нернста
(11.38) вычислить равновесные потенциалы
на мембране аксона кальмара, то получим
соответственно для ионов К+, Na+ и Сl^—величины -90, +46 и -29 мВ. Так как при
изменении проницаемости мембраны для
какого-либо иона этот ион будет проникать
через нее, стремясь создать равновесное
состояние, то числовые данные показывают,
что внутрь клетки проникают ионы Na+,
создавая там положительный потенциал.
Следовательно, при возбуждении клетки
в начальный период увеличивается
проницаемость мембран именно для ионов
натрия. «Натриевая теория» возникновения
потенциала действия была предложена,
разработана и экспериментально
подтверждена А. Ходжкином и А. Хаксли,
за что в 1963 г. они были удостоены
Нобелевской премии.

Измерить проницаемость мембран для
какого-либо иона (иначе говоря,
электропроводимость или сопротивление
мембраны для этого иона) можно, если на
основании закона Ома найти отношение
тока к напряжению, или наоборот.
Практическая реализация такой задачи
осложняется тем, что проницаемость
(электрическое сопротивление) мембраны
при возбуждении изменяется со временем.
Это приводит к перераспределению
электрического напряжения в цепи, и
разность потенциалов на мембране
изменяется. Ходжкин, Хаксли и Катц смогли
создать опыт с фиксацией определенного
значения разности потенциала на мембране.
Это позволило им провести измерение
ионных токов и, следовательно, проницаемости
(сопротивления) мембран для ионов.
Оказалось, что отношение проницаемостей
мембраны для ионов натрия и калия
практически повторяет форму потенциала
действия. Кроме того, были получены
кривые временной зависимости ионных
токов через мембрану (рис. 11.18). На этом
рисунке кривая1соответствует
временной зависимости суммарного
ионного тока через мембрану гигантского
аксона кальмара, полученного при
изменении потенциала на мембране до
+56 мВ (потенциал покоя равен60
мВ). Вначале направление тока отрицательно,
что соответствует прохождению
положительных ионов через мембрану
клетки. Было установлено, что ток этот
обусловлен прохождением ионов натрия
внутрь клетки, где концентрация их
значительно меньше, чем снаружи.

Естественно, что при таком нарушении
равновесия ионы калия начнут перемещаться
наружу, где их концентрация существенно
меньше. Для того чтобы выяснить, какая
часть тока «натриевая», а какая «калиевая»,
можно провести то же возбуждение, но в
искусственных условиях, когда в среде,
окружающей аксон, нет натрия. В этом
случае (см. кривую 2) ток обусловливается
только выходом ионов калия наружу из
клетки. Разница значений тока для двух
кривых показана на кривой3: кривая3есть разность кривых1и2.
Она дает зависимость от времени ионного
тока натрия. На этой кривой частьасоответствует открыванию натриевых
каналов, аб— их закрытию
(инактивации).

В целом
последовательность событий, происходящих
на клеточной мембране при возбуждении,
выглядит следующим образом. При
возбуждении в мембране открываются
каналы для ионов натрия (проницаемость
мембраны возрастает более чем в 5000 раз).
В результате отрицательный заряд с
внутренней стороны мембраны становится
положительным, что соответствует пику
мембранного потенциала (фаза деполяризации
мембраны). Затем поступление натрия из
внешней среды прекращается. В это время
натриевые каналы закрываются, но
открываются калиевые. Калий проходит
в соответствии с градиентом концентрации
из клетки до тех пор, пока не восстановится
первоначальный отрицательный заряд на
мембране и мембранный потенциал не
достигнет своего первоначального
значения (фаза реполяризации). На самом
деле выход ионов калия из клетки
продолжается дольше, чем это требуется
для восстановления потенциала покоя.
В результате за пиком потенциала действия
следует небольшой минимум (за­паздывающий
потенциал).

Ионные
каналы имеют белковое происхождение
(см. рис. 11.3 и 11.13). Они селективно
(выборочно) пропускают ионы разного
вида. Канал может быть «закрыт»
(блокирован) молекулами ядов, его
пропускная способность зависит от
действия некоторых лекарственных
средств. Поэтому теория ионных каналов
в мембранах является важной частью
молекулярной фармакологии.

Механизм распространения потенциала
действия в деталях рассматривается в
курсе нормальной физиологии. Мы же
рассмотрим лишь некоторые основные
положения. Распространение потенциала
действия вдоль нервного волокна (аксона)
обусловлено возникновением так называемыхлокальных токов, образующихся
между возбужденным и невозбужденным
уча­стками клетки. На рис. 11.19 схематично
указаны отдельные стадии возникновения
и распростране­ния потенциала действия.
В состоянии покоя (рис. 11.19, а) внешняя
поверхность клеточной мембраны имеет
положительный потенциал, а внутренняя
— отрицательный. В момент возбуждения
полярность мембраны меняется на
противоположную (рис. 11.19,б). В
результате этого между возбужденным и
невозбужденным участками мембраны
возникает разность потенциалов. Наличие
разности потенциалов и приводит к
появлению между этими участкамилокальных
токов. На поверхности клетки локальный
ток течет от невозбужденного участка
к возбужденному; внутри клетки он течет
в обратном направлении (рис. 11.19, в).
Локальный ток, как и любой электрический
ток, раздражает соседние невозбужденные
участки и вызывает увеличение проницаемости
мембраны. Это приводит к возникновению
потенциалов действия в соседних участках.
В то же время в ранее возбужденном
участке происходят восстановитель­ные
процессы реполяризации. Вновь возбужденный
участок в свою очередь становится
электроотрицательным и возникающий
ло­кальный ток раздражает следующий
за ним участок. Этот процесс многократно
повторяется и обусловливает распространение
им­пульсов возбуждения по всей длине
клетки в обоих направлениях (рис. 11.19,г). В нервной системе импульсы
проходят лишь в опре­деленном
направлении из-за наличия синапсов,
обладающих односторонней проводимостью.

По
электрическим свойствам аксон напоминает
кабель с проводящей сердцевиной и
изолирующей оболочкой. Однако для того
чтобы в кабеле не было значительных
потерь энергии при протекании
тока, сопротивление его должно быть
малым, а сопротивление
изоляции — очень большим. В аксоне
проводящим веществом
служит аксоплазма, т. е. раствор
электролита, удельноесопротивление
которого в миллионыраз
больше, чем у меди или алюми­ния,
из которых изготавливают обычные
кабели. Удельное сопротивление биомембран
достаточно велико, но вследствие их
малой толщины сопротивление изоляции
«аксонного кабеля» в сотни тысяч раз
меньше, чем у технического кабеля. По
этой причине однородное нервное
волокно не может проводить электрический
сигнал на далекое расстояние, интенсивность
сигнала быстро затухает. Расчеты
показывают, что напряжение на мембране
волокна будет экспоненциально уменьшаться
по мере удаления от места возбуждения
(рис. 11.20). Если величина потенциала
действия в месте возбуждения была равна _mах,
то на расстоянии l
от этого места потенциал на мембране
будет равен:

(11.40)

где
—
постоянная
длины нервного
волокна, которая определяет степень
затухания сигнала в аксоне по
экспоненциальному закону. Эту величину
можно рассчитать по следующей приближеннойформуле:

(11.41)

где
d
— диаметр
волокна, R
— поверхностное
сопротивление мембраны
в Ом • м²
(т. е. сопротивление 1 м²
ее поверхности) и 
— удельное сопротивление аксоплазмы
в Ом • м.

Расчеты,
проведенные для аксона кальмара,
показывают, что на
конце аксона величина сигнала должна
быть ничтожно малой. Однако
существование локальных токов приводит
к тому, что возбуждение
передается по нервному волокну без
затухания. Это объясняется тем, что
локальные токи лишь деполяризуют
мембрану до
критического уровня, а потенциалы
действия в каждом участке
мембраны поддерживаются независимыми
ионными потоками, перпендикулярными
к направлению распространения возбуждения.

Из
(11.40) видно, что с увеличением 
степень затухания сигнала
уменьшается. Было показано, что при этом
возрастает скорость проведения импульса,
а это очень важно для жизнедеятельности
любого организма. Величины 
и 
примерно одинаковы
для всех животных
клеток, и поэтому увеличения постоянной
длины 
можно добиться путем увеличения диаметра
d
аксона. Именно
поэтому у кальмаров аксоны достигают
«гигантских» размеров (диаметр до 0,5
мм), что обеспечивает кальмару достаточно
быстрое проведение нервного импульса
и, следовательно, быстроту реакции
на внешние раздражители.

Увысокоорганизованных животных с развитой
нервной системой
толстые волокна оказываются неэкономичными,
и затухание сигнала предотвращается
другим способом. Мембраны аксонов у них
покрытымиелином — веществом,
содержащим много холестерина и мало
белка (рис. 11.21). Удельное сопротивление
миелина значительно
выше удельного сопротивления других
биологических мембран. Помимо этого,
толщина миелиновой оболочки во много
раз больше толщины обычной мембраны,
что приводит к возрастанию диаметра
волокна и соответственно величины.
Как видно из рис. 11.21, миелиновая оболочка
не полностью покрывает
все волокно; оно разделено на отдельные
сегменты, между которыми на участках
длиной около 1 мкм мембрана аксона
непосредственно соприкасается с
внеклеточным раствором. Области, вкоторых мембрана
контактирует с раствором, называют
перехва­тами Ранвье. В связи с
большим сопротивлением миелиновой
оболочки по поверхности
аксона токи протекать не могут, и
затухание сигнала резко уменьшается.
При возбуждении одного узла возникают
токи между ним и другими узлами. Ток,
подошедший к другому узлу, возбуждает
его, вызывает появление в этом местепотенциала действия,
и процесс распространяется по всему
во­локну. Затраты энергии на
распространение сигнала по волокну,покрытому миелином,
значительно меньше, чем по
немиелинизированному, так как общее
количество ионов натрия, проходящих
через мембрану
в области узлов, значительно меньше,
чем если бы они проходили через всю
поверхность мембраны. При некоторых
заболеваниях структура миелиновых
оболочек нарушается, и это
приводит к нарушению проведения нервного
возбуждения. При блокировании узлов
нервного волокна анестезирующими
средствами, например ядом кураре,
сопротивление аксона возрастает и
прохождение сигналов по нерву замедляется
или совсемпрекращается.

Поскольку
узлы замыкаются через аксоплазму и
внеклеточную
среду, то можно предположить, что при
увеличении сопротивления внешней среды
скорость проведения нервного импульса
уменьшится. Это предположение было
проверено на опыте. Нервные
волокна сначала помещали в морскую
воду, а затем в масло с большим удельным
сопротивлением. Скорость проведения
им­пульса во втором случае уменьшалась
в 1,5—2 раза (в зависимости от диаметра
волокна).

Существует
некоторая формальная аналогия между
распространением потенциала действия
по нервному волокну и электромагнитной
волной в двухпроводной линии или
коаксиальном кабеле. Однако между этими
процессами имеется существенное
различие.Электромагнитная
волна, распространяясь в среде, ослабевает,
так как растрачивает свою энергию.
Волна возбуждения, прохо­дящая
по нервному волокну, не затухает, получая
энергию в са­мой
среде (энергию заряженной мембраны).
Волны, получающие энергию из среды
в процессе распространения, называютавтоволнами,
а среду —
активно-возбудимой
средой (ABC).
В § 11.9
будут рассмотрены более подробно
свойства авто волн, распростра­няющихся
в ABC.

Соседние файлы в папке лекции 2008-09

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Химический состав живых клеток отличается от внешней среды, причем различия есть не только в сложных молекулах, таких как белки и нуклеиновые кислоты, но и в ионах. Например, во внеклеточной среде преобладают ионы натрия, а в клетке — ионы калия, причем последних на порядок больше. Сама по себе плазматическая мембрана клеток практически непроницаема для ионов, и поэтому для их переноса через мембрану существуют специальные транспортные механизмы — встроенные в мембрану белки. В геноме человека более 800 генов ионных каналов и транспортеров, а общую долю генов, вовлеченных в трансмембранный транспорт, оценивают в 10 % от всех генов, кодирующих белки^[1]. В этой серии статей мы рассмотрим механизмы трансмембранного переноса ионов и разнообразие реализуемых ими клеточных функций. Мы также уделим внимание патологиям, вызванным мутациями в генах, кодирующих соответствующие каналы и транспортеры.

Представим себе электрохимическую ячейку — сосуд, разделенный пополам полупроницаемой мембраной, в левой части которого находится 1,0 М раствор KCl, а в правой — 0,1 М KCl. Через мембрану могут проходить катионы K⁺, но не анионы Cl⁻. Ионы K⁺ в результате процесса диффузии будут переходить из левого отсека в правый по градиенту концентрации*, тогда как ионы Cl⁻, неспособные последовать за катионами, останутся в исходном отсеке. Благодаря такому разделению зарядов на мембране будет накапливаться электрохимический потенциал: избыток анионов с левой стороны мембраны и избыток катионов с правой. Этот потенциал можно измерить, опустив в отсеки электроды, подсоединенные к вольтметру.

Асимметричный поток катионов не будет продолжаться бесконечно: накопленный электрический потенциал (с избытком положительного заряда с левой стороны мембраны) будет противодействовать диффузии ионов калия в левый отсек. Через некоторое время поток ионов K⁺ из правого отсека в левый сравняется по скорости с потоком из левого отсека в правый, и система достигнет равновесия. Для математического описания подобного равновесия применяют уравнение Нернста (рис. 1).

Рисунок 1 | Электрохимическая ячейка. V — вольтметр. Справа приведено уравнение Нернста, где E_eq — равновесный потенциал; E₁ – E₂ — разность потенциалов по обе стороны мембраны; R = 8,314 Дж/(моль·K) — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура (в кельвинах); F = 96485,55 Кл·моль^–1 — константа Фарадея; z — степень окисления иона (его заряд); [C]_{1, 2} — равновесные концентрации ионов по обе стороны мембраны.

Если принять, что равновесные концентрации ионов K⁺ в нашем примере равны начальным, разность потенциала на мембране при 25 °C приблизительно равна –58 мВ.

Рисунок 2 | Клетка как электрохимическая ячейка. Справа приведены концентрации основных ионов внутри и вне клетки^[2].

Теперь представим, что левая часть нашей электрохимической ячейки — это живая клетка, а правая — внешняя среда. Добавим к этой картине концентрации других физиологически значимых ионов. На мембране клетки также будет накапливаться электрохимический потенциал. Величину электрической составляющей мембранного потенциала измеряют относительно потенциала вне клетки, принимая его за ноль.

В первом приближении можно сказать, что мембрана клетки проницаема для калия и непроницаема для других катионов (Na⁺, Ca²⁺) и анионов (в первую очередь для Cl^– и отрицательно заряженных участков макромолекул). Ионы калия, выходя из клетки, создают потенциал покоя. Его величина достаточно близка к значению равновесного потенциала для K⁺, однако строго не равна ему, поскольку в реальности другие катионы и Cl^– могут участвовать в формировании потенциала покоя в различных типах клеток. Вычислив равновесные потенциалы для основных ионов, мы получим динамический диапазон величины потенциала на мембране клетки: он не может быть более отрицательным, чем E_K, и не может достигать более положительных значений на пике потенциала действия, чем E_Ca. Причина такого поведения кроется в том, что система стремится к равновесию, и при малейших отклонениях мембранного потенциала в сторону более отрицательных значений, чем E_K, K⁺ будет двигаться по электрохимическому градиенту внутрь клетки, возвращая мембранный потенциал к равновесному потенциалу для калия.

Рисунок 3 | Диапазон возможных значений мембранного потенциала от Е_K до E_Ca (показан голубым цветом).

Величина потенциала покоя зависит от типа клеток и равна около –30 мВ в невозбудимых клетках и около –80 мВ в возбудимых клетках (нейроны, мышечные и эндокринные клетки). Когда мембранный потенциал более отрицателен, чем потенциал покоя, говорят, что мембрана гиперполяризована, а когда он приближается к нулю или даже принимает положительные значения, говорят о деполяризации мембраны.

В общем случае мембранный потенциал можно вычислить согласно уравнению Гольдмана-Ходжкина-Катца, которое принимает в расчет все основные катионы и анионы:

где E — мембранный потенциал; R = 8,314 Дж/(моль·K) — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура; F = 96485,55 Кл·моль^–1 — константа Фарадея; P_X — проницаемость мембраны для иона X; [C]_{in, out} — равновесные концентрации ионов внутри и вне клетки. N.B.: для анионов внеклеточная концентрация стоит в знаменателе, а внутриклеточная — в числителе.

Что же обеспечивает проницаемость мембраны для ионов? Заряженные частицы не могут самостоятельно пересекать гидрофобный внутренний слой плазматической мембраны, и поэтому требуются специальные белки, образующие гидрофильную пору, через которую ионы могут двигаться через мембрану. Такие белки называются ионными каналами. Основной вклад в поддержание потенциала покоя вносят калиевые каналы семейств K_ir (inward rectifying K⁺ channels — калиевые каналы внутреннего выпрямления) и K_2P (two—pore domain K⁺ channels — калиевые каналы с двумя поровыми доменами, которые часто называют каналами утечки), а каналы других семейств могут обеспечивать быстрое изменение мембранного потенциала в возбудимых клетках. Каналы могут селективно пропускать определенный тип ионов, например, K⁺ (как каналы семейства K_ir), или более широкий спектр веществ, как, например, коннексины — белки щелевых контактов.

Каналы бывают потенциал-зависимые (потенциал-управляемые), лиганд-зависимые, термо- и механочувствительные — в зависимости от стимула, который управляет открытием и закрытием канала. В роли стимула, таким образом, могут выступать изменения мембранного потенциала, химические агенты, температура, свет, механические и другие стимулы. Один и тот же канал может открываться под действием различных эндо- и экзогенных стимулов. Так, канал TRPV1 активируется повышением температуры более 43 °C^[3], кислым pH^[4] и разнообразными химическими веществами: капсаицином (алкалоид из перцев рода Capsicum)^[3], эндоканнабиноидом анандамидом^[5], окситоцином^[6] и др.

Физиологическая роль каналов крайне важна. К примеру, мутации в генах, кодирующих белки ионных каналов, лежат в основе патогенеза многих заболеваний человека: некоторых видов эпилепсии^[7], муковисцидоза^[8], некоторых аритмий^{[9, 10]} и др. Ионные каналы служат мишенями действия многих лекарств, ядов и токсинов.

Однако для формирования потенциала покоя недостаточно одних лишь каналов, ведь нужно создавать и поддерживать концентрационные градиенты на мембране. Основной механизм поддержания градиентов концентрации калия и натрия — это Na/K-АТФаза, фермент, за счет гидролиза одной молекулы АТФ переносящий три Na⁺ наружу и два K⁺ внутрь клетки. Она осуществляет электрогенный транспорт: в каждом транспортном цикле при переносе одного дополнительного положительного заряда наружу генерируется некоторая разность потенциалов на мембране. Чтобы оценить этот вклад Na/K-АТФазы в поддержание потенциала покоя, можно заблокировать работу фермента алкалоидом оубаином. Тогда мембрана деполяризуется примерно на 10 мВ^[11].

Рисунок 4 | Структура Na/K-АТФазы, полученная методом рентгеновской кристаллографии. Синим цветом показана α-субъединица, красным — γ-субъединица; β-субъединица показана бежевым цветом. Внеклеточная часть β-субъединицы показана в виде электронной плотности. Альфа-спирали изображены цилиндрами, бета-слои — плоскими стрелками^[12].

Активный и пассивный транспорт веществ через мембрану

Процессы транспорта веществ через мембрану можно классифицировать по источнику энергии для транспорта. Пассивный транспорт — это движение вещества через канал или транспортер по градиенту концентрации*, то есть за счет энергии электрохимического градиента. Таким способом через калиевые каналы пассивно движутся ионы калия, или осуществляется перенос глюкозы через транспортер GLUT4 (такой тип транспорта еще называют облегченной диффузией, а транспортеры, переносящие только один субстрат — унипортерами). Кроме пассивного транспорта, существует активный транспорт, при котором субстраты переносятся против градиента концентрации с затратой энергии, запасенной клеткой в виде АТФ (например, Na/K-АТФаза).

Некоторые транспортеры сопрягают перенос ионов или молекул против градиента концентрации с движением ионов по градиенту концентрации. Симпортеры переносят различные частицы в одном направлении (например, KCC2 — K—Cl cotransporter 2 — K/Cl котранспортер 2), а антипортеры, или обменники, — в противоположных (например, NHE-1 — Na/H exchanger 1 — Na/H обменник, участвующий в поддержании клеточного pH). Такой транспорт называется вторично-активным.

Рисунок 5 | Пассивный и активный транспорт веществ через мембрану. Треугольниками показаны концентрационные градиенты. Черными стрелками показано движение по градиенту концентрации, красными — против градиента концентрации. По [13], с изменениями.

В старой литературе можно встретить концепцию «белков-переносчиков»: до открытия молекулярной идентичности многих каналов и транспортеров (т. е. какая молекула опосредует данный ионный ток и какой ген ее кодирует) существовало представление о переносчиках как о челноках, связывающих субстраты с одной стороны мембраны, диффундирующих через мембрану и высвобождающих субстраты с другой стороны. Однако, когда стали известны аминокислотные последовательности транспортных белков, стало понятно, что все они часто содержат многочисленные трансмембранные домены и образуют сквозной путь через мембрану.

Различия между каналами, транспортерами и насосами заключаются в механизме их работы и регуляции. Каналы представляют собой более или менее селективную пору, через которую ионы могут свободно диффундировать, не вызывая конформационных изменений в белке канала. При токе через отдельный канал в 1 пА по нему проходят 6×10⁶ одновалентных ионов в секунду. Транспортер, связываясь с субстратом, изменяет свою конформацию для переноса субстрата. При ко-транспорте повышается аффинность транспортера в новой конформации к второму субстрату, и субстраты переносятся через мембрану сопряженно. Насосы, также называемые АТФазами, (ауто)фосфорилируются АТФ, и это фосфорилирование значительно изменяет их конформацию и приводит к транслокации субстратов через мембрану. Электрическая проводимость насосов очень мала: Na/K-АТФаза переносит всего около 300 Na⁺ и 200 K⁺ в секунду.

Граница между молекулами каналов и транспортеров не всегда строга. Например, семейство хлоридных каналов и транспортеров ClC (англ. Chloride Channel) включает в себя гомологичные друг другу каналы (ClC-1, 2, Ka и Kb) и Cl/H-обменники (ClC-3–7), которые можно превратить в каналы, внеся мутацию в единственный остаток глутамата (т. н. gating glutamate — воротный глутамат) [14]. Na/K-АТФазу также можно превратить в простую пору, например, с помощью палитоксина^[15]. Хлоридный канал CFTR относится к группе ABC-транспортеров, однако он использует энергию АТФ не для транспорта ионов, а для регуляции открытия и закрытия канала^[16]. Кроме того, существуют данные о том, что везикулярный транспортер глутамата VGLUT1 кроме обмена глутамата на протоны также опосредует не сопряженный с обменом ток Cl^{− [17]}.

Клеточная мембрана как электрическая цепь

Липидный бислой мембраны можно представить как резистор (сопротивление) и конденсатор (емкость), соединенные параллельно. Величина сопротивления зависит от плотности каналов в мембране и их функционального состояния. Электроемкость возникает из-за разделения зарядов по обе стороны мембраны тонким слоем диэлектрика (гидрофобными хвостами фосфолипидов).

Рисунок 6 | Плазматическая мембрана, представленная в виде RC схемы. g_Na, g_K, g_Cl — проводимость** мембраны для ионов Na⁺, K⁺ и Cl^–, соответственно; E_Na, E_K, E_Cl — электродвижущая сила, или равновесные потенциалы для соответствующих ионов, С_m — электроемкость мембраны.

Можно считать, что проводимость (величина, обратная сопротивлению, измеряемая в сименсах) характеризует проницаемые для ионов компоненты структуры мембраны, а емкость — не проницаемые для ионов структуры. Удельная емкость мембраны составляет приблизительно 1 мкФ/см² или 0,01 пФ/мкм²*** и мало зависит от типа клеток^[2]. Это позволяет оценить размер клетки по ее электрическим характеристикам. Высокая электроемкость клеточных мембран задерживает изменения потенциала в ответ на ток. Эту задержку можно выразить через постоянную времени τ, которая равна произведению емкости и параллельно соединенного с ней сопротивления (RC). Если конденсатор зарядить на некоторую величину, а затем дать ему разрядиться через резистор, то потенциал будет убывать экспоненциально согласно формуле V = V₀e^–t/RC, то есть за каждые τ = RC секунд потенциал будет падать в 1/e раз (на 37 % от исходной величины). Этот расчет применим и к клеточной мембране: падение напряжения при разрядке мембраны будет подчиняться экспоненциальному закону. То есть, если приложить гипер- или деполяризующий стимул, то мембранный потенциал через время τ достигнет 63 % конечного сдвига.

Рисунок 7 | Падение напряжения при разрядке мембраны. Изменение мембранного потенциала при деполяризации мембраны на ΔV_m ^[22], I_c — емкостный ток, I_i — ионный ток, I_m — суммарный ток через мембрану. Пояснения в тексте.

Потенциал действия 

Возбудимые клетки могут быстро изменять потенциал на мембране и этим запускать внутриклеточные процессы, например, мышечное сокращение или экзоцитоз везикул. Кратковременный локальный скачок мембранного потенциала от приблизительно –80 мВ (значения потенциала покоя) до 0…+20 мВ за счет изменения проницаемости мембраны для ионов называется потенциалом действия.

Для начала рассмотрим потенциал действия в аксонах нейрона на примере гигантского аксона кальмара. Выбор столь экзотического объекта обусловлен историческими причинами. Современная микроэлектродная техника — использование тонких стеклянных микропипеток, заполненных раствором электролита, — была предложена лишь в 1949 году Дж. Лингом и Р. Джерардом^[18]. До этого поместить электрод, представлявший собой тонкую проволоку, внутрь клетки, не разрушив ее, можно было только в случае ее крупных размеров. Гигантский аксон кальмара стал идеальным модельным объектом для изучения потенциала действия: его диаметр может достигать 0,5–1 мм. Этот отросток служит для быстрой передачи нервных импульсов у беспозвоночных, у которых отсутствует миелинизация. Внутренним содержимым аксона легко манипулировать, заменяя ионный состав внутриклеточного раствора, а внутрь такого аксона можно поместить электрод для регистрации мембранного потенциала.

Так, в 1939 году А. Ходжкин и Э. Хаксли опубликовали в журнале Nature короткую заметку «Потенциалы действия, зарегистрированные внутри нервного волокна»^[19], в которой они описали первый эксперимент по внутриклеточному измерению мембранного потенциала на гигантском аксоне кальмара. Посмотрим на потенциалы действия, которые зарегистрировали исследователи.

Рисунок 8 | Потенциал действия из статьи А. Ходжкина и Э. Хаксли 1939 года^[19]. Потенциал действия был зарегистрирован как разность потенциала между внутренней средой аксона и внешней средой. Пики внизу рисунка — это фрагменты синусоидального сигнала с частотой 500 Гц. Вертикальной чертой отмечен потенциал внутреннего электрода в милливольтах, потенциал морской воды снаружи аксона был принят за ноль.

Мы видим резкую деполяризацию мембраны до положительных значений, а затем более плавное возвращение потенциала к отрицательным значениям, зачастую более отрицательным, чем величина потенциала покоя. Из этих наблюдений следовало два важных вывода: 1) потенциал действия генерируется мембраной клетки, что не было очевидно в 1930-е годы; 2) поскольку измеренная амплитуда потенциала действия была больше величины мембранного потенциала, генерация потенциала действия — это активный процесс, который нельзя объяснить временным «пробоем» в мембране (каким бы наивным такое представление нам не казалось сегодня, в 1930-е так думали многие физиологи). В том же году К. С. Коул и Х. Дж. Кертис^[20] зарегистрировали кратковременное изменение проводимости мембраны с 1 мСм/см² до 40 мСм/см² при генерации потенциала действия. Эти данные также свидетельствовали о тонкой регуляции этого процесса.

После Второй мировой войны Ходжкин и Хаксли вернулись к своим исследованиям. В 1945 году они опубликовали статью с несколькими дополнительными экспериментами, подтверждающими сформулированные ранее выводы. Но и тогда ионные механизмы потенциала действия оставались неясными.

В 1952 году вышла серия статей, посвященных разгадке механизма генерации потенциала действия. Ведущую роль в этом открытии сыграл новый метод фиксации потенциала с помощью двух электродов (в англоязычной литературе TEVC — two-electrode voltage clamp), разработанный в конце 1940-х годов К. С. Коулом и Дж. Мармонтом^[21]. Этот метод позволяет измерять не только потенциал, но и токи при заданном значении мембранного потенциала. Как же осуществляется фиксация потенциала с помощью двух электродов на заданном уровне (V_cmd — «командный потенциал»)? В клетку помещают два электрода, один из которых измеряет потенциал (относительно внеклеточного электрода сравнения) и передает его значение на специальный усилитель, который сравнивает измеренный потенциал со значением командного потенциала. Это устройство вычисляет ток, необходимый для компенсации этой разницы, и подает через второй внутриклеточный электрод ток такой величины, чтобы потенциал на мембране клетки стал равен V_cmd (V_m = V_cmd). Из амплитуды тока, необходимого для компенсации сдвига потенциала до V_cmd, можно сделать вывод о токе через мембрану при данном значении мембранного потенциала. Ток при данном значении потенциала равен току, подаваемому на второй электрод, взятому с обратным знаком.

Рисунок 9 | Схема фиксации потенциала с помощью двух электродов^[21].

В 1970–80-х годах Эрвин Неер и Берт Сакман (Erwin Neher, Bert Sakmann) предложили метод локальной фиксации потенциала (англ. patch clamp), позволяющий работать с мелкими клетками и токами малой амплитуды и даже регистрировать активность отдельных каналов. Тем не менее, метод фиксации потенциала двумя электродами в микроэлектродной конфигурации используется и сегодня при работе с такими крупными клетками, как ооциты лягушки Xenopus laevis.

Временной ход потенциала действия

Потенциал действия в аксоне можно разделить на 1) фазу быстрой деполяризации до 2) положительных значений (овершута, от англ. overshoot), 3) фазу реполяризации, в которой потенциал возвращается к потенциалу покоя или даже до несколько более отрицательных значений — 4) следовая гиперполяризация.

Рисунок 10 | Потенциал действия и изменения проводимости мембраны для Na⁺ и K⁺ в гигантском аксоне кальмара. Из [22], с изменениями.

Изменяя ионный состав внутри- и внеклеточного раствора, можно изолировать ионные токи, которые опосредуют изменение мембранного потенциала при потенциале действия. Так, помещая аксон в раствор, в котором натрий заменен на холин, можно изолировать натриевый и калиевый компонент потенциала действия, то есть отдельно измерить калиевый ток^[20]. Этого же можно достичь применением блокаторов потенциал-зависимых натриевых и калиевых каналов — тетродотоксина и тетраэтиламмония (TEA).

Чтобы понять взаимосвязь ионных токов и вызванных ими изменений потенциала, рассмотрим всю цепь событий при генерации потенциала действия. Сначала мембрана деполяризуется под действием внешнего стимула: поступления в клетку катионов через лиганд-управляемые каналы, закрытия калиевых каналов или электрической стимуляции в эксперименте. Если деполяризация достигает порогового значения для потенциалзависимых натриевых каналов (Na_v), они открываются, натрий по градиенту своей концентрации входит в клетку, и мембрана деполяризуется еще сильнее. Дальнейшая деполяризация влечет за собой лавинообразное открытие все новых натриевых каналов, ток через которые приводит к еще большей деполяризации. Однако эта петля положительной обратной связи не работает бесконечно: открывшись на некоторое время, натриевые каналы инактивируются и не могут открыться вновь, пока мембранный потенциал не вернется к отрицательным значениям.

Механизм инактивации был предложен еще в математической модели Ходжкина и Хаксли^[23] на основании кинетических характеристик тока. Они предположили, что в натриевом канале есть три активационные частицы m и одна инактивационная частица h. Когда стала известна аминокислотная последовательность канала, выяснилось, что канал на самом деле имеет четыре гомологичных активационных домена и один инактивационный, однако один из активационных доменов срабатывает значительно медленнее остальных трех, и его влияние на кинетические характеристики тока маскируется происходящей в то же время инактивацией канала (например, [24]).

В то же время деполяризация мембраны приводит к активации потенциал-зависимых калиевых каналов (K_v), которые открываются медленнее, чем натриевые, калий выходит из клетки, и потенциал возвращается к потенциалу покоя и может даже временно стать более отрицательным: пока натриевые каналы инактивированы, потенциал становится ближе к калиевому равновесному потенциалу, и это явление называется следовой гиперполяризацией.

Генерация потенциала действия происходит по принципу «все или ничего». Если деполяризующий стимул не достиг порогового значения, потенциал действия не генерируется. Если же порог был достигнут, положительная обратная связь обеспечивает открытие всех доступных натриевых каналов, и потенциал действия достигает своей максимальной амплитуды.

Если новый стимул приходит во время или сразу после генерации потенциала действия, второй потенциал действия не возникает или обладает меньшей амплитудой, чем первый. Это явление называется рефрактерностью. Стимул, возникший в период абсолютной рефрактерности, не вызывает генерации потенциала действия, а пришедшийся на период относительной рефрактерности вызывает потенциал действия уменьшенной амплитуды, так как часть натриевых каналов все еще инактивирована.

Рисунок 11 | Абсолютная и относительная рефрактерность. Стимуляция в период абсолютной рефрактерности (2) не ведет к генерации потенциала действия, а стимуляция в период относительной рефрактерности (3 и 4) приводит к генерации потенциала действия сниженной амплитуды.

Стоит отметить, что внутриклеточная концентрация физиологически значимых ионов при генерации потенциала действия не меняется, и ионные токи задействуют пренебрежимо малую долю от общего числа Na⁺ и K⁺. Это можно проиллюстрировать следующим примером. Рассчитаем число ионов, которое должно пересечь мембрану для деполяризации на 100 мВ. Заряд на мембране равен произведению емкости мембраны и потенциала: Q = C_mV_m. Удельная емкость мембраны близка к 1 мкФ/см², а сдвиг потенциала в нашем случае равен 0,1 В. Тогда количество разделенных зарядов равно Q = 10−6 Ф/см² × 0,1 В = 10−7 Кл/см². Величина заряда одного иона Na⁺ или K⁺ (элементарного заряда) равна 1,6 × 10−19 Кл, тогда количество переносимых через мембрану ионов равно 10−7 Кл/см² / 1,6 × 10−19 Кл = 6,25 × 1011 ионов/см², или 6250 ионов/мкм². Для клетки диаметром 10 мкм площадь поверхности мембраны будет приблизительно равна 4πr² = 314 мкм² (в этом расчете для простоты мы считаем клетку гладкой сферой), а объем — 4πr³/3 = 524 мкм³. При внутриклеточной концентрации Na⁺ 10 мМ, а K⁺ 150 мМ содержание этих ионов в цитозоле будет равно 3,2 × 109 и 4,7 × 1010 соответственно. В течение одного потенциала действия приблизительно 314 мкм² × 6,250 ионов/мкм² ≈ 2 000 000 ионов Na⁺ входит в клетку в фазе деполяризации и примерно столько же ионов K⁺ выходит из клетки в фазе реполяризации, что составляет всего 0,06 % от общего числа ионов натрия в клетке. Токи такой величины обычно не изменяют макроскопические концентрации ионов в клетке, поскольку работа Na/K-АТФазы компенсирует эти незначительные изменения. Однако при определенных условиях концентрации Na⁺ и K⁺ все же могут измениться, например, при продолжительной стимуляции аксонов с малым диаметром^[25].

Распространение возбуждения по аксону

Электрические свойства мембраны помогают понять изменения мембранного потенциала не только во времени, но и в пространстве. Пассивное, или электротоническое распространение возбуждения по мембране происходит без изменения проводимости потенциал-зависимых каналов. Для распространения потенциала действия важен как активный (изменение проводимости натриевых и калиевых каналов), так и пассивный механизмы, поскольку деполяризация, вызывающая открытие новых потенциал-зависимых натриевых каналов, должна достигнуть нового невозбужденного участка аксона, и происходит это благодаря электротоническому распространению возбуждения.

Рисунок 12 | Электротоническое распространение возбуждения. Пояснения в тексте [22].

Сдвиг потенциала в точке, отстоящий на x от места стимуляции, можно вычислить как E_x = E₀e^–x/λ, где E₀ — это сдвиг потенциала в точке стимуляции, а λ — постоянная длины.

Постоянная длины возрастает с увеличением сопротивления мембраны (r_m) и уменьшается с возрастанием сопротивления аксоплазмы (r_i), которое в свою очередь зависит от концентрации подвижных зарядов в объеме аксона. Знание этих закономерностей позволяет понять зависимость скорости распространения возбуждения от радиуса (R) аксона. Сопротивление мембраны r_m пропорционально 1/2πR, сопротивление аксоплазмы r_i — 1/πR², а емкость мембраны C_m пропорциональна R. По мере увеличения радиуса аксона и r_m, и r_i уменьшаются, но r_i уменьшается сильнее. Постоянная длины увеличивается, следовательно, сдвиг потенциала может распространяться по более крупному аксону дальше. Кроме того, увеличение радиуса аксона ведет к увеличению емкости мембраны, однако этот эффект нивелируется тем, что емкость с увеличением радиуса растет линейно, а уменьшение r_i пропорционально квадрату радиуса. Таким образом, проводимость аксоплазмы увеличивается быстрее (при снижении r_i), чем растет емкость мембраны, и это позволяет току быстрее достигать невозбужденных участков мембраны более крупного аксона.

Зависимость скорости распространения потенциала действия по аксону от его диаметра объясняет необходимость в гигантских аксонах у кальмара. Однако у позвоночных гигантских аксонов нет, и достаточная скорость проведения нервных импульсов достигается с помощью миелинизации аксонов. Миелиновые оболочки образованы специальными глиальными клетками: олигодендроцитами в центральной нервной системе и клетками Шванна в периферической. Эти клетки оборачивают аксон, образуя вокруг него плотный чехол из десятков слоев плазматической мембраны, который работает как изолятор. Под миелиновой оболочкой очень мало или почти нет натриевых каналов. Они оказываются расположены на небольших участках мембраны аксона между двумя соседними шванновскими клетками или олигодендроцитами — в перехватах Ранвье. Миелиновая оболочка увеличивает скорость проведения потенциала действия благодаря повышению сопротивления мембраны r_m. При этом снижаются потери тока через мембрану, и деполяризация может пассивно распространяться на бо́льшие расстояния. Кроме того, из-за снижения емкости мембраны C_m, меньшая доля тока тратится на перезарядку мембраны. Миелинизация делает передачу потенциала действия не только быстрее, но и эффективнее, поскольку натриевые каналы располагаются только в перехватах Ранвье, благодаря чему меньшее количество ионов натрия входит в клетку и меньше энергии требуется на работу Na/K АТФ-азы для поддержания концентрационного градиента.

Потенциалы действия в других возбудимых клетках

Минималистичный натриево-калиевый потенциал действия характерен только для аксонов нейронов. В других частях нейрона и в иных типах возбудимых клеток в генерации потенциала действия принимают участие разнообразные ионные каналы, в том числе калиевые каналы других семейств и кальциевые каналы плазматической мембраны и эндоплазматического ретикулума (ЭПР является внутриклеточным депо кальция; общая концентрация Ca²⁺ в нем достигает миллимолярных значений, а концентрация свободного кальция находится в микромолярном диапазоне^[26]; эти значения на несколько порядков выше, чем 100 нМ свободного Ca²⁺ в цитозоле в состоянии покоя). Различия в экспрессии генов ионных каналов в различных типах возбудимых клеток порождают разнообразие потенциалов действия, различающихся ионными механизмами, длительностью (от 1,5 мс в аксонах до 500 мс в кардиомиоцитах желудочков), необходимостью внешнего стимула для генерации или наличием собственного ритма. Многие ионные каналы, не участвуя напрямую в генерации потенциала действия, влияют на возбудимость клеток и таким образом вносят вклад в разнообразие электрической активности клеток.

* Принятое в физиологической литературе употребление фраз «по» или «против градиента концентрации» расходится с физическим понятием градиента. В математике и физике градиент направлен в сторону наибольшей скорости возрастания функции или величины; так, если вещество движется в направлении этого вектора, то физиологи говорят о движении «против градиента концентрации», а если в противоположном направлении — то «по градиенту концентрации». Такое словоупотребление прочно закрепилось в литературе, но пусть оно не сбивает вас с толку, когда вы размышляете, откуда взялся минус перед градиентом концентрации в уравнении диффузионного потока (уравнении Фика): J = — D dC/dx, где J — диффузионный поток [моль∙см^-2∙с^-1], D — коэффициент диффузии [см²∙с^-1], а dC/dx— градиент концентрации.

** Проводимость (g = 1/R) — это характеристика скорости движения любых зарядов через мембрану, а проницаемость (P) отражает, насколько легко частицы могут двигаться через мембрану независимо от того, движутся они или нет. Для ионов эти величины связаны. Например, в фазе быстрой деполяризации при потенциале действия возрастает как проводимость, так и проницаемость мембраны для ионов натрия. Однако зачастую, если проницаемость канала для какого-то иона высока из-за высокого сродства участков поры канала для этого иона, такие ионы будут двигаться через канал медленнее, и проводимость будет ниже, чем для других ионов, для которых канал менее проницаем.

*** Удельная емкость чистого липидного бислоя составляет около 0,8 мкФ/см², разница между электроемкостью мембраны и липидного бислоя возникает из-за обилия встроенных в мембрану белков.

Библиография

1. Hediger M.A. et al. The ABCs of membrane transporters in health and disease (SLC series): Introduction // Mol. Aspects Med. 2013. Vol. 34. P. 95–107.
2.  Hille B. Ion Channels of Excitable Membranes. Third edit. Sinauer Associates, Inc., 2001.
3. Caterina M.J. et al. The capsaicin receptor: A heat-activated ion channel in the pain pathway // Nature. 1997. Vol. 389, № 6653. P. 816–824.
4. Jordt S.-E., Tominaga M., Julius D. Acid potentiation of the capsaicin receptor determined by a key extracellular site // Proc. Natl. Acad. Sci. 2000. Vol. 97, № 14. P. 8134–8139.
5. Smart D. et al. The endogenous lipid anandamide is a full agonist at the human vanilloid receptor (hVR1) // Br. J. Pharmacol. 2000. Vol. 129, № 2. P. 227–230.
6. Nersesyan Y. et al. Oxytocin Modulates Nociception as an Agonist of Pain-Sensing TRPV1 // Cell Rep. 2017. Vol. 21, № 6. P. 1681–1691.
7. Berkovic S.F. et al. Human epilepsies: interaction of genetic and acquired factors // Trends Neurosci. 2006. Vol. 29, № 7. P. 391–397.
8. Welsh M.J., Smith A.E. Molecular mechanisms of CFTR chloride channel dysfunction in cystic fibrosis // Cell. 1993. Vol. 73, № 7. P. 1251–1254.
9. Ruan Y., Liu N., Priori S.G. Sodium channel mutations and arrhythmias // Nat. Rev. Cardiol. 2009. Vol. 6, № 5. P. 337–348.
10. Giudicessi J.R., Ackerman M.J. Potassium-channel mutations and cardiac arrhythmias — Diagnosis and therapy // Nat. Rev. Cardiol. Nature Publishing Group, 2012. Vol. 9, № 6. P. 319–332.
11. Thomas R.C. Electrogenic sodium pump in nerve and muscle cells // Am. J. Physiol. 1972. Vol. 52, № 3. P. 563–594.
12. Morth J.P. et al. Crystal structure of the sodium-potassium pump // Nature. 2007. Vol. 450, № 7172. P. 1043–1049.
13. Lodish H. et al. Molecular Cell Biology (5th edition) // Biochemistry and Molecular Biology Education. 2003.
14. Scheel O. et al. Voltage-dependent electrogenic chloride/proton exchange by endosomal CLC proteins // Nature. 2005. Vol. 436, № 7049. P. 424–427.
15. Artigas P., Gadsby D.C. Ouabain affinity determining residues lie close to the Na/K pump ion pathway. // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006. Vol. 103, № 33. P. 12613–12618.
16. Li, C., Ramjeesingh, M., Wang, W., Garami, E., Hewryk, M., Lee, D., Rommens, J. M., Galley, K., Bear, C. E. ATPase Activity of the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator // Journal of Biological Chemistry. 1996. № 45 (271). P. 28463–28468.
17. Martineau M. et al. VGLUT1 functions as a glutamate/proton exchanger with chloride channel activity in hippocampal glutamatergic synapses // Nat. Commun. Springer US, 2017. Vol. 8, № 1.
18. Ling G., Gerard R.W. The normal membrane potential of frog sartorius fibers // J. Cell. Comp. Physiol. Wiley-Blackwell, 1949. Vol. 34, № 3. P. 383–396.
19. Hodgkin A.L., Huxley A.F. Action potentials recorded from inside a nerve fibre // Nature. 1939. Vol. 144. P. 710–711.
20. Cole K.S., Curtis H.J. Electric Impedance of the Squid Giant Axon During Activity // J. Gen. Physiol. 1939. Vol. 22, № 5. P. 649–670.
21. Cole K.S. Mostly membranes // Annu. Rev. Physiol. 1979. Vol. 41, № 1. P. 1–24.
22. Kandel E.R. et al. Principles of Neural Science. Fifth Edit. The McGraw-Hill Companies, Inc., 2013. 1709 p.
23. Hodgkin A.L., Huxley A.F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve // J. Physiol. 1952. Vol. 117. P. 500–544.
24. Capes D.L. et al. Domain IV voltage-sensor movement is both sufficient and rate limiting for fast inactivation in sodium channels // J. Gen. Physiol. 2013. Vol. 142, № 2. P. 101–112.
25. http://www.physiologyweb.com/lecture_notes/neuronal_action_potential/neuronal_action_potential_na_and_k_concentrations_do_not_change_during_an_action_potential.html
26. Bygrave F.L., Benedetti A. What is the concentration of calcium ions in the endoplasmic reticulum? // Cell Calcium. Churchill Livingstone, 1996. Vol. 19, № 6. P. 547–551.

В физиология, потенциал действия (AP) происходит, когда мембранный потенциал конкретного ячейка локация стремительно поднимается и опускается:^[1] эта деполяризация затем вызывает аналогичную деполяризацию соседних участков. Потенциалы действия встречаются в нескольких типах клетки животных, называется возбудимый ячеек, которые включают нейроны, мышечные клетки, эндокринный клетки клетки клубочка, а в некоторых клетки растений.

В нейронах потенциалы действия играют центральную роль в связь между ячейками путем предоставления — или в отношении скачкообразное проведение, ассистирование — распространение сигналов по нейрону аксон к синаптические бутоны расположен на концах аксона; эти сигналы могут затем связываться с другими нейронами в синапсах, моторными клетками или железами. В других типах клеток их основная функция — активировать внутриклеточные процессы. В мышечных клетках, например, потенциал действия — это первый шаг в цепи событий, ведущих к сокращению. В бета-клетки из поджелудочная железа, они провоцируют выброс инсулин.^[а] Потенциалы действия в нейронах также известны как «нервные импульсы» или «шипы«, а временная последовательность потенциалов действия, генерируемых нейроном, называется его»шипованный поезд«. Нейрон, который испускает потенциал действия или нервный импульс, часто говорят, что он» стреляет «.

Потенциалы действия порождаются особыми видами потенциалзависимые ионные каналы встроен в ячейку плазматическая мембрана.^[b] Эти каналы закрываются, когда мембранный потенциал близок к (отрицательному) потенциал покоя ячейки, но они быстро начинают открываться, если мембранный потенциал увеличивается до точно определенного порогового напряжения, деполяризующий трансмембранный потенциал.^[b] Когда каналы открываются, они пропускают внутрь поток натрий 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 большому 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 они активно транспортируются обратно из плазматической мембраны. Калий каналы затем активируются, и происходит выходящий ток ионов калия, возвращающий электрохимический градиент в состояние покоя. После возникновения потенциала действия происходит переходный отрицательный сдвиг, называемый постгиперполяризация.

В клетках животных существует два основных типа потенциалов действия. Один тип создается напряжение-управляемые натриевые каналы, другой — по напряжению кальций каналы. Потенциалы действия на основе натрия обычно длятся менее одной миллисекунды, но потенциалы действия на основе кальция могут длиться до 100 миллисекунд или дольше.^{[нужна цитата ]} В некоторых типах нейронов медленные выбросы кальция обеспечивают движущую силу для длительного выброса быстро выделяемых выбросов натрия. В клетках сердечной мышцы, с другой стороны, начальный быстрый выброс натрия обеспечивает «праймер», чтобы спровоцировать быстрое начало выброса кальция, которое затем вызывает сокращение мышц.^{[нужна цитата ]}

Обзор

Почти все клеточные мембраны у животных, растений и грибов поддерживать Напряжение разница между внешним видом и интерьером клетки, называемая мембранный потенциал. Типичное напряжение на мембране животной клетки составляет -70 мВ. Это означает, что внутренняя часть ячейки имеет отрицательное напряжение по отношению к внешней стороне. В большинстве типов клеток мембранный потенциал обычно остается довольно постоянным. Однако некоторые типы элементов являются электрически активными в том смысле, что их напряжение колеблется со временем. В некоторых типах электрически активных ячеек, в том числе нейроны и в мышечных клетках колебания напряжения часто принимают форму быстрого всплеска вверх, за которым следует быстрое падение. Эти восходящие и нисходящие циклы известны как потенциалы 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. А клеточная мембрана состоит из липидный бислой молекул, в которые встроены более 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 разности напряжений между внутренней и внешней частью клетки. Эти чувствительные к напряжению белки известны как потенциалзависимые ионные каналы.

Процесс в типичном нейроне

Все клетки тканей тела животных электрически поляризованный — другими словами, они поддерживают разность напряжений на плазматическая мембрана, известный как мембранный потенциал. Эта электрическая поляризация является результатом сложного взаимодействия белковых структур, встроенных в мембрану, называемого ионные насосы и ионные каналы. В нейронах типы ионных каналов в мембране обычно различаются в разных частях клетки, что дает дендриты, аксон, и Тело клетки разные электрические свойства. В результате некоторые части мембраны нейрона могут быть возбудимыми (способны генерировать потенциалы действия), а другие — нет. Недавние исследования показали, что наиболее возбудимая часть нейрона — это часть после аксональный бугорок (точка, где аксон покидает тело клетки), который 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, которое представляет собой значение, которое мембранный потенциал поддерживает до тех пор, пока клетка не возмущается, и более высокое значение, называемое пороговый потенциал. На бугорке аксона типичного нейрона потенциал покоя составляет около -70 милливольт (мВ), а пороговый потенциал составляет около -55 мВ. Синаптические входы в нейрон заставляют мембрану деполяризовать или гиперполяризовать; 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 типы намного тише и могут длиться минуты или дольше, не испуская никаких потенциалов действия.

Биофизическая основа

Эта секция нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью от добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. (Февраль 2014 года) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Потенциалы действия возникают из-за присутствия в клеточной мембране особых типов потенциалзависимые ионные каналы.^[4] Управляемый потенциалом 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 связь между мембранным потенциалом и состоянием канала является вероятностной и включает временную задержку. Ионные каналы переключаются между конформациями в непредсказуемые моменты времени: мембранный потенциал определяет скорость переходов и вероятность в единицу времени каждого типа перехода.

Управляемые по напряжению ионные каналы способны создавать потенциалы действия, потому что они могут вызывать положительный отзыв петли: 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. 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. Существуют 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 медленного 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. Иногда их называют натриевые каналы Ходжкина-Хаксли, потому что они сначала были охарактеризованы Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли в своих исследованиях биофизики потенциала действия, получивших Нобелевскую премию, но для удобства их можно назвать Na_V каналы. («V» означает «напряжение».) Na_V канал имеет три возможных состояния, известных как деактивирован, активирован, и инактивированный. Канал проницаем только для ионов натрия, когда он находится в активирован штат. Когда мембранный потенциал низкий, канал большую часть времени проводит в деактивирован (закрытое) состояние. Если мембранный потенциал поднимается выше определенного уровня, канал показывает повышенную вероятность перехода в активирован (открытое) состояние. Чем выше мембранный потенциал, тем больше вероятность активации. После активации канала он в конечном итоге перейдет в инактивированный (закрытое) состояние. Затем он имеет тенденцию оставаться неактивным в течение некоторого времени, но, если мембранный потенциал снова станет низким, канал в конечном итоге вернется к деактивирован штат. Во время потенциала действия большинство каналов этого типа проходят цикл деактивирован→активирован→инактивированный→деактивирован. Однако это только среднее поведение населения — отдельный канал, в принципе, может осуществить любой переход в любое время. Однако вероятность перехода канала из инактивированный заявить непосредственно в активирован состояние очень низкое: канал в инактивированный состояние является невосприимчивым, пока не перейдет обратно в деактивирован штат.

Результатом всего этого является то, что кинетика Na_V каналы управляются переходной матрицей, скорость которой зависит от напряжения сложным образом. 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 набор дифференциальные уравнения 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 ионные каналы натрия открыть, позволяя вход натрий ионы в клетку. Затем следует открытие ионные каналы калия которые позволяют выход калий ионы из клетки. Входящий поток ионов натрия увеличивает концентрацию положительно заряженных катионы в клетке и вызывает деполяризацию, когда потенциал клетки выше, чем у клетки потенциал покоя. На пике потенциала действия натриевые каналы закрываются, а 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 значения покоя, преобладает натриевый ток. Это приводит к неуправляемому состоянию, при котором положительный отзыв от натриевого тока активируется еще больше натриевых каналов. Таким образом, ячейка пожары, производя потенциал действия.^{[5][8][9][примечание 1]} Частоту, с которой нейрон выявляет потенциалы действия, часто называют скорострельность или скорость нейронной активации.

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. Эта все или ничего свойство потенциала действия отличает его от градуированные потенциалы такие как рецепторные потенциалы, электротонические потенциалы, подпороговые колебания мембранного потенциала, и синаптические потенциалы, которые масштабируются с величиной стимула. Различные типы потенциала действия существуют во многих типах клеток и клеточных компартментах, что определяется типами потенциалзависимых каналов, каналы утечки, распределение каналов, концентрации ионов, емкость мембраны, температура и другие факторы.

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 пройти через мембрану, чтобы напряжение на мембране резко изменилось. Ионы, обмениваемые во время потенциала действия, поэтому вносят незначительное изменение во внутренние и внешние концентрации ионов. Немногочисленные пересекающиеся ионы снова откачиваются непрерывным действием натриево-калиевый насос, который вместе с другими ионные транспортеры, поддерживает нормальное соотношение концентраций ионов на мембране. Кальций катионы и хлористый анионы участвуют в нескольких типах потенциалов действия, таких как потенциал сердечного действия и потенциал действия в одноклеточной водоросль Ацетабулярия 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 распространяется пассивно, как электротонический потенциал. Регулярно расположенные немиелинизированные пятна, называемые узлы Ранвье, генерируйте потенциалы действия для усиления сигнала. Известный как скачкообразное проведение, этот тип распространения сигнала обеспечивает благоприятный компромисс между скоростью сигнала и диаметром аксона. Деполяризация терминалы аксонов, как правило, запускает выпуск нейротрансмиттер в синаптическая щель. Кроме того, потенциалы действия обратного распространения были зарегистрированы в дендритах пирамидные нейроны, которые повсеместно встречаются в неокортексе.^[c] Считается, что они играют роль в пластичность, зависящая от времени всплеска.

в Модель емкости мембраны Ходжкина – Хаксли скорость передачи потенциала действия не была определена, и предполагалось, что соседние области становятся деполяризованными из-за высвобожденных ионных помех соседним каналам. Измерения диффузии ионов и радиусов с тех пор показали, что это невозможно.^{[нужна цитата ]} Более того, противоречивые измерения изменений энтропии и времени оспаривают модель емкости как действующую самостоятельно.^{[нужна цитата ]} С другой стороны, гипотеза адсорбции Гилберта Линга утверждает, что мембранный потенциал и потенциал действия живой клетки обусловлены адсорбцией подвижных ионов на адсорбционные сайты клеток.^[11]

Созревание электрических свойств потенциала действия

А нейрон способность генерировать и распространять изменения потенциала действия во время развитие. Сколько мембранный потенциал изменения нейрона в результате импульса тока является функцией мембраны входное сопротивление. По мере роста клетки больше каналы добавляются к мембране, вызывая уменьшение входного сопротивления. Зрелый нейрон также претерпевает более короткие изменения мембранного потенциала в ответ на синаптические токи. Нейроны хорька латеральное коленчатое ядро иметь больше постоянная времени и больше Напряжение прогиб в P0, чем в 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 кальциевый ток скорее, чем натриевой ток. В кинетика открытия и закрытия кальциевых каналов во время развития медленнее, чем у потенциалзависимых натриевых каналов, которые несут 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] Xenopus нейроны 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, внутренний ток переносится преимущественно по натриевым каналам.^[13] Во-вторых, выпрямитель с задержкой, а калиевый канал ток увеличивается в 3,5 раза от первоначальной силы.^[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 Синтез РНК или синтез белка ингибиторы этого перехода предотвращаются.^[14] Даже электрическая активность самой клетки может играть роль в экспрессии каналов. Если потенциалы действия в Xenopus миоциты блокируются, предотвращается или задерживается типичное повышение плотности тока натрия и калия.^[15]

Это созревание электрических свойств наблюдается у всех видов. Потоки натрия и калия Xenopus резко увеличиваются после того, как нейрон проходит свою последнюю фазу митоз. Плотность натриевого тока крысы корковые нейроны увеличивается на 600% в течение первых двух послеродовых недель.^[12]

Нейротрансмиссия

Анатомия нейрона

Структура типичного нейрона

Нейрон
Дендрит Сома Аксон Ядро Узел Ранвье Аксон терминал Шванновская ячейка Миелиновой оболочки

Некоторые типы клеток поддерживают потенциал действия, такие как клетки растений, мышечные клетки и специализированные клетки сердца (в которых происходит потенциал сердечного действия ). Однако основная возбудимая клетка — это нейрон, который также имеет простейший механизм действия.

Нейроны представляют собой электрически возбудимые клетки, состоящие, как правило, из одного или нескольких дендритов, одного сома, один аксон и один или несколько терминалы аксонов. Дендриты — это клеточные проекции, основной функцией которых является получение синаптических сигналов. Их выступы, известные как дендритные шипы, предназначены для захвата нейромедиаторов, выделяемых пресинаптическим нейроном. У них высокая концентрация ионные каналы, управляемые 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» эукариотический органеллы. В отличие от шипов поверхность сомы заполнена ионными каналами, активируемыми напряжением. Эти каналы помогают передавать сигналы, генерируемые дендритами. Из сомы выходит аксональный бугорок. Эта область характеризуется очень высокой концентрацией активируемых напряжением натриевых каналов. В целом, это считается зоной инициирования всплеска для потенциалов действия,^[16] то есть триггерная зона. Здесь сходятся многочисленные сигналы, генерируемые шипами и передаваемые сомой. Сразу после бугорка аксона находится аксон. Это тонкий трубчатый выступ, отходящий от сомы. Аксон изолирован миелин оболочка. Миелин состоит из Шванновские клетки (в периферической нервной системе) или олигодендроциты (в центральной нервной системе), оба из которых являются типами глиальные клетки. 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 предотвращает проникновение и выход ионов из аксона. 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, не имеющие изоляции. Эти узлы Ранвье их можно рассматривать как «бугорки мини-аксонов», поскольку их цель — усилить сигнал, чтобы предотвратить его значительный распад. На самом дальнем конце аксон теряет изоляцию и начинает разветвляться на несколько терминалы аксонов. Эти пресинаптические терминалы, или синаптические бутоны, представляют собой специализированную область в аксоне пресинаптической клетки, которая содержит нейротрансмиттеры заключены в небольшие мембранные сферы, называемые синаптические везикулы.

Посвящение

Прежде чем рассматривать распространение потенциалов действия вдоль аксоны и их прекращение на синаптических ручках, полезно рассмотреть методы, с помощью которых потенциалы действия могут быть инициированы в аксональный бугорок. Основное требование — чтобы напряжение на мембране на бугре было выше порога стрельбы.^{[5][6][18][19]} Эта деполяризация может происходить несколькими путями.

Динамика

Потенциалы действия чаще всего инициируются возбуждающие постсинаптические потенциалы от пресинаптического нейрона.^[20] Обычно нейротрансмиттер молекулы высвобождаются пресинаптический нейрон. Затем эти нейротрансмиттеры связываются с рецепторами постсинаптической клетки. Эта привязка открывает различные типы ионные каналы. Это открытие имеет дальнейшее влияние на изменение локальной проницаемости клеточная мембрана и, следовательно, 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 уравнение кабеля и его доработки). Обычно стимул напряжения спадает экспоненциально с расстоянием от синапса и со временем от связывания нейротрансмиттера. Некоторая часть возбуждающего напряжения может достигать аксональный бугорок и может (в редких случаях) деполяризовать мембрану настолько, чтобы вызвать новый потенциал действия. Как правило, возбуждающие потенциалы нескольких синапсов должны работать вместе в почти в то же время спровоцировать новый потенциал действия. Однако их совместным усилиям может помешать противодействие тормозящие постсинаптические потенциалы.

Нейротрансмиссия также может происходить через электрические синапсы.^[21] Благодаря прямой связи между возбудимыми клетками в виде щелевые соединения, потенциал действия может передаваться напрямую от одной ячейки к другой в любом направлении. Свободный поток ионов между клетками обеспечивает быструю передачу, не опосредованную химическими веществами. Выпрямляющие каналы обеспечивают движение потенциалов действия только в одном направлении через электрический синапс.^{[нужна цитата ]} Электрические синапсы присутствуют во всех нервных системах, включая человеческий мозг, хотя их меньшинство.^[22]

Принцип «все или ничего»

В амплитуда потенциала действия не зависит от величины тока, который его произвел. Другими словами, большие токи не создают больших потенциалов действия. Следовательно, потенциалы действия называются все или ничего сигналов, так как они либо возникают полностью, либо не возникают вовсе.^[d][e][f] Это в отличие от рецепторные потенциалы, амплитуды которых зависят от интенсивности стимула.^[23] В обоих случаях частота потенциалов действия коррелирует с интенсивностью стимула.

Сенсорные нейроны

В сенсорные нейроны внешний сигнал, такой как давление, температура, свет или звук, связан с открытием и закрытием ионные каналы, которые, в свою очередь, изменяют ионную проницаемость мембраны и ее напряжение.^[24] Эти изменения напряжения снова могут 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 чувства запах и прикоснуться соответственно. Однако не все сенсорные нейроны преобразуют свои внешние сигналы в потенциалы действия; у некоторых нет даже аксона.^[25] Вместо этого они могут преобразовать сигнал в выпуск нейротрансмиттер, или в непрерывный градуированные потенциалы, любой из которых может стимулировать последующий нейрон (ы) в возбуждении потенциала действия. Например, в человеческом ухо, волосковые клетки преобразовать входящий звук в открытие и закрытие механически управляемые ионные каналы, что может вызвать нейротрансмиттер высвобождаемые молекулы. Аналогичным образом в человеческом сетчатка, начальный фоторецепторные клетки и следующий слой ячеек (содержащий биполярные клетки и горизонтальные ячейки ) не производят потенциалов действия; только некоторые амакриновые клетки и третий слой, ганглиозные клетки, производят потенциалы действия, которые затем перемещаются вверх по оптический нерв.

Возможности кардиостимулятора

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 ячеек известны как потенциал кардиостимулятора.^[27] В кардиостимулятор ячейки синоатриальный узел в сердце дайте хороший пример.^[г] Хотя у таких кардиостимуляторов есть естественный ритм, его можно регулировать внешними раздражителями; например, частота сердцебиения могут быть изменены фармацевтическими препаратами, а также сигналами от симпатичный и парасимпатический нервы.^[28] Внешние стимулы не вызывают повторяющихся срабатываний клетки, а просто изменяют их время.^[27] В некоторых случаях регулирование частоты может быть более сложным, что приводит к паттернам потенциалов действия, таким как разрыв.

Фазы

Ход потенциала действия можно разделить на пять частей: фаза нарастания, фаза пика, фаза падения, фаза недорега и рефрактерный период. Во время фазы роста мембранный потенциал деполяризуется (становится более положительным). Точка, в которой деполяризация стопов называется пиковой фазой. 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 период отражения, которые могут 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 изменения мембранное напряжение V_м. Это изменяет проницаемость мембраны для этих ионов.^[31] Во-вторых, согласно Уравнение гольдмана, это изменение проницаемости изменяет равновесный потенциал E_м, а значит, и мембранное напряжение V_м.^[час] Таким образом, мембранный потенциал влияет на проницаемость, которая затем дополнительно влияет на мембранный потенциал. Это создает возможность для положительный отзыв, 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 в V_м противоположными способами или с разной скоростью.^[32][я] Например, хотя повышение V_м открывается большинство ворот в чувствительном к напряжению натриевом канале, он также закрывается «ворота инактивации» канала, хотя и медленнее.^[33] Следовательно, когда V_м поднимается внезапно, натриевые каналы сначала открываются, но затем закрываются из-за более медленной инактивации.

Напряжения и токи потенциала действия во всех его фазах точно смоделированы Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли в 1952 г.,^[я] за что они были награждены Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1963 г.^[β] Однако, их модель рассматривает только два типа чувствительных к напряжению 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.^[j]

Фаза стимуляции и подъема

Типичный потенциал действия начинается с аксональный бугорок^[35] при достаточно сильной деполяризации, например, раздражитель, увеличивающий V_м. Эта деполяризация часто вызывается инъекцией дополнительного количества натрия. катионы в камеру; эти катионы могут поступать из самых разных источников, таких как химические синапсы, сенсорные нейроны или потенциал кардиостимулятора.

Для нейрона в состоянии покоя существует высокая концентрация ионов натрия и хлорида в внеклеточной жидкости по сравнению с внутриклеточная жидкость, в то время как во внутриклеточной жидкости наблюдается высокая концентрация ионов калия по сравнению с внеклеточной жидкостью. Разница в концентрациях, которая заставляет ионы перемещаться от высокой до низкой концентрации, а электростатические эффекты (притяжение противоположных зарядов) ответственны за движение ионов внутрь нейрона и из него. 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 каналы утечки калия присутствует на мембране нейрона, вызывает отток ионов калия, что делает потенциал покоя близким к E_K ≈ –75 мВ.^[36] Поскольку Na⁺ ионы находятся в более высоких концентрациях за пределами ячейки, разница в концентрации и напряжении приводит их в ячейку, когда Na⁺ каналы открыты. Деполяризация открывает и натриевые, и калиевые каналы в мембране, позволяя ионам поступать в аксон и выходить из него соответственно. Если деполяризация мала (скажем, увеличивается V_м от -70 мВ до -60 мВ), выходящий калиевый ток подавляет входящий натриевый ток, и мембрана реполяризуется обратно до своего нормального потенциала покоя около -70 мВ.^[5][6][7] Однако, если деполяризация достаточно велика, входящий натриевый ток увеличивается больше, чем выходящий калиевый ток, и возникает состояние убегания (положительный отзыв ) результаты: чем больше внутренний ток, тем больше V_м увеличивается, что, в свою очередь, еще больше увеличивает входящий ток.^[5][8] Достаточно сильная деполяризация (увеличение V_м) вызывает открытие чувствительных к напряжению натриевых каналов; повышенная проницаемость для натриевых двигателей V_м ближе к напряжению равновесия натрия E_Na≈ +55 мВ. Повышение напряжения, в свою очередь, вызывает открытие еще большего количества натриевых каналов, что подталкивает V_м еще дальше к E_Na. Эта положительная обратная связь продолжается до тех пор, пока натриевые каналы не откроются полностью и V_м близко к E_Na.^{[5][6][37][38]} Резкий рост V_м и проницаемость натрия соответствуют фаза подъема потенциала действия.^{[5][6][37][38]}

Критическое пороговое напряжение для этого состояния разгона обычно составляет около -45 мВ, но это зависит от недавней активности аксона. Клетка, которая только что активировала потенциал действия, не может немедленно запустить другую, так как Na⁺ каналы не вышли из неактивированного состояния. Период, в течение которого нельзя задействовать новый потенциал действия, называется периодом абсолютный рефрактерный период.^[39][40][41] В более длительные периоды времени, после восстановления некоторых, но не всех ионных каналов, аксон можно стимулировать для создания другого потенциала действия, но с более высоким порогом, требующим гораздо более сильной деполяризации, например, до -30 мВ. Период, в течение которого необычно трудно вызвать потенциалы действия, называется периодом относительный рефрактерный период.^[39][40][41]

Пиковая фаза

Положительная обратная связь нарастающей фазы замедляется и прекращается, когда каналы ионов натрия становятся максимально открытыми. На пике потенциала действия проницаемость для натрия максимальна, а напряжение на мембране V_м 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 инактивированный.^[33] Это снижает проницаемость мембраны для натрия по сравнению с калием, возвращая мембранное напряжение обратно к значению покоя. В то же время повышенное напряжение открывает чувствительные к напряжению калиевые каналы; увеличение проницаемости калия мембраны приводит V_м в направлении E_K.^[33] В совокупности эти изменения проницаемости для натрия и калия вызывают: V_м быстро падать, переполяризуя мембрану и создавая «фазу падения» потенциала действия.^{[39][42][38][43]}

После гиперполяризации

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. К тому же, дополнительные калиевые каналы открываются в ответ на приток ионов кальция во время потенциала действия. Внутриклеточная концентрация ионов калия временно необычно низка, из-за чего напряжение на мембране V_м еще ближе к напряжению равновесия калия E_K. Мембранный потенциал опускается ниже мембранного потенциала покоя. Следовательно, есть недобор или гиперполяризация, названный постгиперполяризация, который сохраняется до тех пор, пока проницаемость мембраны для калия не вернется к своему обычному значению, восстанавливая мембранный потенциал до состояния покоя.^[44][42]

Период отражения

За каждым потенциалом действия следует период отражения, которые можно разделить на абсолютный рефрактерный период, во время которого невозможно вызвать другой потенциал действия, а затем относительный рефрактерный период, во время которого требуется более сильный, чем обычно, стимул.^[39][40][41] Эти два рефрактерных периода вызваны изменениями в состоянии молекул натриевого и калиевого каналов. При закрытии после потенциала действия натриевые каналы входят 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 состояние покоя, часто случается, что часть калиевых каналов остается открытой, что затрудняет деполяризацию мембранного потенциала и, таким образом, приводит к возникновению относительного рефрактерного периода. 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 развивающейся части является рефрактерным, но участок впереди, который не был активирован в последнее время, способен стимулироваться деполяризацией от потенциала действия.

Распространение

Потенциал действия, генерируемый на бугорке аксона, распространяется по аксону в виде волны.^[46] Токи, текущие внутрь в точке на аксоне 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 Алан Ллойд Ходжкин в 1937. После раздавливания или охлаждения нервных сегментов и, таким образом, блокирования 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 это абсолютный рефрактерный период соответствует времени, необходимому для активации натриевых каналов, активируемых напряжением, для восстановления после инактивации, то есть возврата в свое закрытое состояние.^[40] В нейронах существует много типов калиевых каналов, активируемых напряжением. Некоторые из них деактивируются быстро (токи А-типа), а некоторые инактивируются медленно или не деактивируются совсем; эта изменчивость гарантирует, что всегда будет доступный источник тока для реполяризации, даже если некоторые из калиевых каналов 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 это ограничивает частоту стрельбы,^[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 ответить потенциалом действия; только что сработавшая часть не реагирует, пока потенциал действия не выйдет за пределы допустимого диапазона, и не сможет рестимулировать эту часть. В обычном ортодромная проводимость потенциал действия распространяется от бугорка аксона к синаптическим выступам (концам аксона); распространение в обратном 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

Чтобы обеспечить быструю и эффективную передачу электрических сигналов в нервной системе, определенные нейрональные аксоны покрыты миелин ножны. Миелин представляет собой многослойную мембрану, которая охватывает аксон сегментами, разделенными интервалами, известными как узлы Ранвье. Его производят специализированные клетки: Шванновские клетки исключительно в периферическая нервная система, и олигодендроциты исключительно в Центральная нервная система. 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][м][n] Миелинизация встречается в основном у позвоночные, но аналогичная система была обнаружена у нескольких беспозвоночных, таких как некоторые виды креветка.^[o] Не все нейроны у позвоночных миелинизированы; например, аксоны нейронов, составляющих автономную нервную систему, как правило, миелинизированы.

Миелин предотвращает попадание ионов в аксон и его выход из миелинизированных сегментов. Как правило, миелинизация увеличивает скорость проводимости потенциалов действия и делает их более энергоэффективными. Скачкообразно или нет, средняя скорость проведения потенциала действия колеблется от 1метр 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 по цитоплазме проводится ток, которого достаточно для деполяризации первого или второго последующего узел Ранвье. Вместо этого ионный ток от потенциала действия на одном узел Ранвье вызывает еще один потенциал действия в следующем узле; это очевидное «скачкообразное изменение» потенциала действия от узла к узлу известно как скачкообразное проведение. Хотя механизм скачкообразной проводимости был предложен в 1925 году Ральфом Лилли,^[q] первые экспериментальные доказательства скачкообразной проводимости пришли из Ичидзи Тасаки^[р] и Тайцзи Такеучи^[s][50] и из Эндрю Хаксли и Роберт Штэмпфли.^[т] 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, десятикратного.^[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 аксоне. гигантский аксон 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. Это значительная экономия селективное преимущество, 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 высока, позволяя в случае травмы обходить узлы. 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

Поток токов внутри аксона можно количественно описать следующим образом: теория кабеля^[54] и его разработки, такие как компартментальная модель.^[55] Теория кабеля была разработана в 1855 г. Лорд Кельвин смоделировать трансатлантический телеграфный кабель^[Икс] и было показано, что имеет отношение к нейронам Ходжкин и Раштон в 1946 г.^[y] В простой кабельной теории нейрон рассматривается как электрически пассивный, идеально цилиндрический передающий кабель, который можно описать как уравнение в частных производных^[54]

где V(Икс, т) — напряжение на мембране в момент времени т и должность Икс вдоль длины нейрона, и где λ и τ — характерная длина и временные масштабы, на которых эти напряжения падают в ответ на стимул. Обращаясь к принципиальной схеме справа, эти масштабы можно определить по сопротивлению и емкости на единицу длины.^[56]

Эти масштабы времени и длины можно использовать для понимания зависимости скорости проводимости от диаметра нейрона в немиелинизированных волокнах. Например, временной масштаб τ увеличивается с увеличением сопротивления мембраны. р_м и емкость c_м. По мере увеличения емкости для получения заданного трансмембранного напряжения должно быть передано больше заряда ( уравнение Q = резюме ); по мере увеличения сопротивления в единицу времени передается меньше заряда, что замедляет уравновешивание. Аналогичным образом, если внутреннее сопротивление на единицу длины р_я в одном аксоне меньше, чем в другом (например, потому что радиус первого больше), длина пространственного распада λ становится больше, и скорость проводимости потенциала действия должен увеличиваться. Если трансмембранное сопротивление р_м увеличивается, что снижает средний ток «утечки» через мембрану, что также вызывает λ становиться длиннее, увеличивая скорость проводимости.

Прекращение

Химические синапсы

В общем, потенциалы действия, которые достигают синаптических узлов, вызывают нейротрансмиттер быть выпущенным 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 вызывает пузырьки заполнены нейротрансмиттером для миграции на поверхность клетки и выпустить их содержимое в синаптическая щель.^[аа] Этот сложный процесс тормозится нейротоксины тетаноспазмин и ботулинический токсин, которые несут ответственность за столбняк и ботулизм соответственно.^[ab]

Электрические синапсы

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.^{[объявление]} 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 нейротрансмиттеры через синаптическую щель. Следовательно, электрические синапсы используются всякий раз, когда решающее значение имеют быстрый отклик и координация времени, как в спасательные рефлексы, то сетчатка из позвоночные, а сердце.

Нервно-мышечные соединения

Частным случаем химического синапса является нервно-мышечное соединение, в которой аксон из двигательный нейрон заканчивается на мышечное волокно.^[ae] В таких случаях высвобожденный нейротрансмиттер ацетилхолин, который связывается с рецептором ацетилхолина, интегральным мембранным белком в мембране ( сарколемма ) мышечного волокна.^[аф] Однако ацетилхолин не остается связанным; скорее, он диссоциирует и гидролизованный ферментом, ацетилхолинэстераза, 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 вещества зарин и табун,^[ag] и инсектициды диазинон и малатион.^[ах]

Другие типы клеток

Потенциалы сердечного действия

Потенциал сердечного действия отличается от потенциала действия нейронов наличием расширенного плато, на котором мембрана удерживается под высоким напряжением в течение нескольких сотен миллисекунд, прежде чем будет реполяризована током калия, как обычно.^[ai] Это плато связано с действием более медленных кальций каналы открываются и удерживают напряжение мембраны около их равновесного потенциала даже после того, как натриевые каналы инактивированы.

Потенциал сердечного действия играет важную роль в координации сокращений сердца.^[ai] Сердечные клетки синоатриальный узел предоставить потенциал кардиостимулятора что синхронизирует сердце. Потенциалы действия этих клеток распространяются на и через атриовентрикулярный узел (АВ-узел), который обычно является единственным проводящим путем между предсердие и желудочки. Потенциалы действия от AV-узла проходят через связка Его и оттуда в Волокна Пуркинье.^{[заметка 2]} И наоборот, аномалии потенциала сердечной деятельности — будь то из-за врожденной мутации или травмы — могут привести к патологиям человека, особенно аритмии.^[ai] Некоторые антиаритмические препараты действуют на потенциал сердечного действия, например: хинидин, лидокаин, бета-блокаторы, и верапамил.^[aj]

Потенциалы мышечного действия

Потенциал действия в нормальной клетке скелетных мышц аналогичен потенциалу действия в нейронах.^[57] Потенциалы действия возникают в результате деполяризации клеточной мембраны ( сарколемма ), который 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. Релизы с потенциалом действия кальций ионы, которые высвобождают тропомиозин и позвольте мышце сократиться. Потенциалы мышечного действия провоцируются приходом пресинаптического нейронального потенциала действия в нервно-мышечное соединение, что является общей целью для нейротоксины.^[ag]

Потенциалы действия растений

Завод и грибковые клетки^[ак] также электрически возбудимы. Принципиальное отличие от потенциалов действия животных состоит в том, что деполяризация в растительных клетках достигается не за счет поглощения положительных ионов натрия, а за счет высвобождения отрицательных ионов натрия. хлористый ионы.^{[al][утра][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 потенциалозависимых ионных каналов и позволяя полной деполяризации распространяться ионами хлорида.

Некоторые растения (например, Dionaea muscipula ) используют каналы с натриевыми воротами для управления движениями и, по сути, «счета». Dionaea muscipula, также известный как венерина мухоловка, встречается в субтропических заболоченных местах в Северной и Южной Каролине.^[59] Когда в почве мало питательных веществ, мухоловка питается насекомыми и животными.^[60] Несмотря на исследования этого растения, отсутствует понимание молекулярной основы венерианских мухоловок 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. Начнем с того, что 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] Затем этот рецептор 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 считается ложной. 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, начинается накопление кальция и медленно падает с первого триггера. Когда второй потенциал действия срабатывает в течение временного интервала, он достигает порогового значения кальция, чтобы деполяризовать клетку, закрывая ловушку на добыче в течение доли секунды.^[61]

Вместе с последующим высвобождением положительных ионов калия потенциал действия растений включает в себя осмотический потеря 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 клетках растений^[ао] по-видимому, возникло из-за осмотической функции электрической возбудимости у общих одноклеточных предков растений и животных в условиях меняющейся засоленности. Кроме того, существующая функция быстрой передачи сигнала рассматривается как новое достижение многоклеточный клетки в более стабильной осмотической среде.^[63] Вероятно, что знакомая сигнальная функция потенциалов действия у некоторых сосудистых растений (например, Мимоза стыдливая ) возникла независимо от таковой в возбудимых клетках многоклеточных животных.

Таксономическое распространение и эволюционные преимущества

Потенциалы действия встречаются повсюду многоклеточные организмы, в том числе растения, беспозвоночные такие как насекомые, и позвоночные такие как рептилии и млекопитающие.^[ap] Губки кажется главным филюм многоклеточных эукариоты который не передает потенциалы действия, хотя некоторые исследования предполагают, что эти организмы также имеют форму электрических сигналов.^{[водный]} Потенциал покоя, а также величина и продолжительность потенциала действия не сильно менялись в процессе эволюции, хотя скорость проводимости действительно сильно зависит от диаметра аксона и миелинизации.

Сравнение потенциалов действия (ПД) репрезентативного поперечного сечения животных^[64]

Животное	Тип ячейки	Потенциал покоя (мВ)	Увеличение АД (мВ)	Длительность AP (мс)	Скорость проводимости (м / с)
Кальмар (Лолиго)	Гигантский аксон	−60	120	0.75	35
Земляной червь (Поясничный)	Срединное гигантское волокно	−70	100	1.0	30
Таракан (Periplaneta)	Гигантское волокно	−70	80–104	0.4	10
Лягушка (Рана)	Аксон седалищного нерва	От -60 до -80	110–130	1.0	7–30
Кот (Фелис)	Спинальный мотонейрон	От -55 до -80	80–110	1–1.5	30–120

Учитывая его сохранение на протяжении эволюции, потенциал действия, по-видимому, 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 треть от скорость 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 была использована биологически для формирования генераторы центральных паттернов и подражали в искусственные нейронные сети.

Считается, что общий предок прокариот / эукариот, который жил около четырех миллиардов лет назад, имел каналы, управляемые напряжением. Вероятно, что позже эта функция 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

Изучение потенциалов действия потребовало разработки новых экспериментальных методов. Первоначальная работа, до 1955 г., в основном выполнялась Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Филдинг Хаксли, которые были вместе Джон Кэрью Эклс награжден 1963 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине за их вклад в описание ионной основы нервной проводимости. Он был сосредоточен на трех целях: изоляция сигналов от отдельных нейронов или аксонов, разработка быстрой и чувствительной электроники и сокращение электроды достаточно, чтобы можно было записать напряжение внутри отдельной ячейки.

Первая проблема была решена путем изучения гигантские аксоны обнаружены в нейронах Кальмар (Лолиго форбесии и Doryteuthis pealeii, в то время классифицированный как Лолиго палеи).^[ар] Эти аксоны настолько велики в диаметре (примерно на 1 мм, или в 100 раз больше, чем у типичного нейрона), что их можно увидеть невооруженным глазом, что позволяет легко извлекать их и манипулировать ими.^{[я][так как]} Однако они не являются репрезентативными для всех возбудимых клеток, и многие другие системы с потенциалами действия были изучены.

Вторая проблема была решена с решающим развитием зажим напряжения,^[в] что позволило экспериментаторам изучать ионные токи, лежащие в основе потенциала действия изолированно, и устранило ключевой источник электронный шум, электрический ток я_C связанный с емкость C мембраны.^[67] Поскольку ток равен C умноженная на скорость изменения трансмембранного напряжения V_м, решение заключалось в разработке схемы, сохраняющей V_м фиксированная (нулевая скорость изменения) независимо от токов, протекающих через мембрану. Таким образом, ток, необходимый для сохранения V_м при фиксированном значении — прямое отражение тока, протекающего через мембрану. Другие достижения в области электроники включают использование Клетки Фарадея и электроника с высоким входное сопротивление, чтобы само измерение не влияло на измеряемое напряжение.^[68]

Третья проблема, проблема получения электродов, достаточно маленьких для регистрации напряжений в пределах одного аксона, не нарушая его, была решена в 1949 году с изобретением стеклянного микропипеточного электрода.^[au] который был быстро принят другими исследователями.^{[средний][aw]} Усовершенствования этого метода позволяют производить 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 нейрочипы содержащий EOSFET, или оптически красителями, которые чувствителен к Ca²⁺ или к напряжению.^[топор]

В то время как стеклянные электроды микропипетки измеряют сумму токов, проходящих через множество ионных каналов, изучение электрических свойств одного ионного канала стало возможным в 1970-х годах с развитием патч зажим от Эрвин Неер и Берт Сакманн. За это открытие они были награждены Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1991 г.^[γ] Фиксация патча подтвердила, что ионные каналы имеют дискретные состояния проводимости, такие как открытый, закрытый и инактивированный.

Оптическое изображение В последние годы были разработаны технологии для измерения потенциалов действия либо посредством одновременной записи на нескольких участках, либо с ультрапространственным разрешением. С помощью красители чувствительные к напряжению, потенциалы действия были оптически записаны с крошечного участка кардиомиоцит мембрана.^[ай]

Нейротоксины

Несколько нейротоксины как натуральные, так и синтетические, предназначены для блокирования потенциала действия. Тетродотоксин от рыба фугу и сакситоксин от Гоньяулакс (в динофлагеллята род, ответственный за «красные приливы «) блокировать потенциалы действия, подавляя чувствительный к напряжению натриевый канал;^[аз] так же, дендротоксин от Черная мамба змея 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 путем аффинная хроматография или при определении их концентрации. Однако такие ингибиторы также вырабатывают эффективные нейротоксины и рассматриваются для использования в качестве химическое оружие. Нейротоксины, нацеленные на ионные каналы насекомых, оказались эффективными инсектициды; 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

Роль электричества в нервной системе животных впервые была обнаружена при вскрытии. лягушки от Луиджи Гальвани, изучавшие его с 1791 по 1797 год.^[ба] Результаты Гальвани стимулировали Алессандро Вольта развивать Гальваническая свая — самый ранний из известных электрическая батарея — с помощью которых он изучал электричество животных (например, электрические угри ) и физиологические реакции на прикладываемые постоянный ток напряжения.^[bb]

Ученые 19 века изучали распространение электрических сигналов в целом. нервы (т.е. пучки нейроны ) и продемонстрировал, что нервная ткань состоит из клетки, вместо взаимосвязанной сети трубок (a сеточка).^[70] Карло Маттеуччи продолжил исследования Гальвани и продемонстрировал, что клеточные мембраны имели напряжение на них и могли производить постоянный ток. Работа Маттеуччи вдохновила немецкого физиолога, Эмиль дю Буа-Реймон, открывший потенциал действия в 1843 году.^[71] В скорость проводимости потенциалов действия был впервые измерен в 1850 году другом дю Буа-Реймона, Герман фон Гельмгольц.^[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 воспроизвели. За свои открытия Гольджи и Рамон-и-Кахаль были награждены орденом 1906 г. Нобелевская премия по физиологии.^[δ] Их работа разрешила давние противоречия в нейроанатомия 19 века; Сам Гольджи выступал за сетевую модель нервной системы.

ХХ век был важной эпохой для электрофизиологии. В 1902 г. и снова в 1912 г. Юлиус Бернштейн выдвинул гипотезу о том, что потенциал действия возник в результате изменения проницаемость аксональной мембраны на ионы.^{[до н.э][73]} Гипотезу Бернштейна подтвердил Кен Коул и Говард Кертис, который показал, что проводимость мембраны увеличивается во время потенциала действия.^[bd] В 1907 г. Луи Лапик предположил, что потенциал действия генерировался при превышении порога,^[быть] то, что позже будет показано как продукт динамические системы ионных проводимостей. В 1949 г. Алан Ходжкин и Бернард Кац уточнил гипотезу Бернштейна, считая, 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 регистрацию электрических изменений мембраны нейронов, которые опосредуют потенциал действия.^[ε] Кульминацией этого направления исследований стали пять работ Ходжкина, Каца и Эндрю Хаксли, в котором они применили зажим напряжения Методика определения зависимости проницаемости аксональной мембраны для ионов натрия и калия от напряжения и времени, на основе которой они смогли количественно восстановить потенциал действия.^[я] Ходжкин и Хаксли коррелировали свойства своей математической модели с дискретными ионные каналы которые могут существовать в нескольких разных состояниях, включая «открыто», «закрыто» и «неактивно». Их гипотезы были подтверждены в середине 1970-х и 1980-х гг. Эрвин Неер и Берт Сакманн, который разработал технику патч зажим 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 атомное разрешение кристаллические структуры,^[би] измерения расстояния флуоресценции^[bj] и криоэлектронная микроскопия исследования.^[bk]

Юлиус Бернштейн также первым представил Уравнение Нернста для потенциал покоя через мембрану; это было обобщено Дэвид Э. Голдман одноименному Уравнение гольдмана в 1943 г.^[час] В натриево-калиевый насос был идентифицирован в 1957 г.^[bl][ζ] и его свойства постепенно выяснялись,^{[bm][млрд][бо]} достигнув высшей точки в определении его структуры атомного разрешения Рентгеновская кристаллография.^[bp] Также были решены кристаллические структуры связанных ионных насосов, что дает более широкое представление о том, как они молекулярные машины Работа.^[bq]

Количественные модели

Математические и вычислительные модели необходимы для понимания потенциала действия и предлагают прогнозы, которые могут быть проверены на экспериментальных данных, обеспечивая строгую проверку теории. Самой важной и точной из ранних нейронных моделей является Модель Ходжкина – Хаксли, который описывает потенциал действия совокупностью из четырех обыкновенные дифференциальные уравнения (ОДУ).^[я] Хотя модель Ходжкина – Хаксли может быть упрощением с некоторыми ограничениями^[74] по сравнению с реалистичной нервной мембраной в том виде, в каком она существует в природе, ее сложность вдохновила на создание нескольких еще более упрощенных моделей,^[75][br] такой как Модель Морриса – Лекара^[bs] и Модель ФитцХью – Нагумо,^[bt] оба имеют только два связанных ODE. Свойства моделей Ходжкина – Хаксли и ФитцХью – Нагумо и их родственников, таких как модель Бонхёффера – ван дер Поля,^[bu] были хорошо изучены в математике,^[76][bv] вычисление^[77] и электроника.^[чб] Однако простые модели потенциала генератора и потенциала действия не могут точно воспроизвести частоту нейронных импульсов, близкую к пороговой, и форму импульсов, особенно для механорецепторы словно Тельце Пачини.^[78] Более современные исследования сосредоточены на более крупных и интегрированных системах; объединяя модели потенциала действия с моделями других частей нервной системы (например, дендритов и синапсов), исследователи могут изучать нейронные вычисления^[79] и просто рефлексы, такие как спасательные рефлексы и другие, контролируемые генераторы центральных паттернов.^[80][bx]

Смотрите также

Заметки

использованная литература

Сноски

журнальные статьи

Книги

веб-страница

дальнейшее чтение

внешние ссылки

• Ионный поток в потенциалах действия в Blackwell Publishing
• Распространение потенциала действия в миелинизированных и немиелинизированных аксонах в Blackwell Publishing
• Генерация АД в клетках сердца и генерация AP в нейронных клетках
• Мембранный потенциал покоя от Жизнь: Наука биологии, 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 Университет Аризоны
• Мультфильм, иллюстрирующий потенциал действия
• Распространение потенциала действия
• Создание потенциала действия: моделирование ограничения тока и напряжения^{[постоянная мертвая ссылка ]}
• Программное обеспечение с открытым исходным кодом для моделирования нейрональных и сердечных потенциалов действия в SourceForge.net
• Введение в потенциал действия, Неврология онлайн (Электронный учебник по неврологии Медицинской школы UT в Хьюстоне)
• Khan Academy: Электротоника и потенциал действия

Краткое описание: 

Нервный импульс

 Разбираясь в нервных импульсах, мы будем иметь в виду нервное возбуждение, бегущее (=распространяющееся) по мебране нейрона. Строго говоря, движущееся по нейронам и нервам возбуждение представляет собой нервные импульсы, а не потенциалы действия, хотя в физиологической литературе два этих понятия обычно используют как синонимы.

Для того чтобы произвести нервный импульс, нейрон сначала должен создать состояние готовности (потенциал покоя), затем предготовности (локальный потенциал), и, наконец, при достижении порогового уровня локального потенциала (критического уровня деполяризации) — породить бегущий по мембране нервный импульс.

Нервный импульс — это движущаяся волна изменений в состоянии мембраны. Волна включает в себя три вида изменений: структурные (открытие и закрытие мембранных ионных каналов); химические (трансмембранные потоки ионов); электрические (изменения электрического потенциала мембраны) Электрических изменений тоже три: деполяризация, позитивная поляризация (=инверсия, =овершут) и реполяризация. Электрические изменения (проявления) в состоянии мембраны — это потенциал действия. © 2012-2021 Сазонов В.Ф. © 2012-2021 kineziolog.su

Можно сказать короче:

 «Нервный импульс — это волна изменений, движущаяся по мембране нейрона». © 2012-2021 Сазонов В.Ф. © 2012-2021 kineziolog.su

Но в физиологической литературе в качестве синонима для нервного импульса принято использовать также и термин «потенциал действия». Хотя потенциал действия — это только электрический компонент нервного импульса.

Потенциал действия – это резкое скачкообразное изменение мембранного потенциала с отрицательного на положительный и обратно.

Сравним два понятия: «нервный импульс» и «потенциал действия».

Нервный импульс — это сложный структурно-электро-химический процесс, распространяющийся по мембране нейрона в виде бегущей волны изменений.

Потенциал действия — это только электрический компонент нервного импульса, характеризующий изменения электрического потенциала на локальном участке мембраны во время прохождения через него нервного импульса. Потенциал мембраны при этом изменяется от -70 до +30 мВ и обратно до -70 мВ — это и есть потенциал действия. (Кликните на изображение слева, чтобы увидеть анимацию.)

Сравните два приведённых выше рисунка (покликайте по ним) и, как говорится, почувствуйте разницу!

Где рождаются нервные импульсы?

Как ни странно, не все студенты, изучившие физиологию возбуждения, могут ответить на этот вопрос. ((

Хотя ответ не сложен. Нервные импульсы рождаются на нейронах всего в нескольких местах:

1) аксонный холмик (это переход тела нейрона в аксон),

2) рецепторное окончание дендрита,

3) первый перехват Ранвье на дендрите (триггерная зона дендрита),

4) постсинаптическая мембрана возбуждающего синапса.

Места возникновения нервных импульсов:

1. Аксонный холмик — главный породитель нервных импульсов

 Аксонный холмик — это самое начало аксона, там где он начинается на теле нейрона. Именно аксонный холмик является главным породителем (генератором) нервных импульсов на нейроне. Во всех остальных местах вероятность рождения нервного импульса намного меньше. Дело в том, что у мембраны аксонного холмика повышена чувствительность к возбуждению и понижен критический уровень деполяризации (КУД) по сравнению с остальными участками мембраны. Поэтому, когда на мембране нейрона начинают суммироваться многочисленные возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП), которые возникают в самых разных местах на постсинаптических мембранах всех его синаптических контактов, то раньше всего КУД достигается именно на аксонном холмике. Там-то эта сверхпороговая для холмика деполяризация и открывает потенциал-чувствительные натриевые каналы, в которые входит поток ионов натрия, порождающий потенциал действия и нервный импульс.

Итак, аксонный холмик является интегративной зоной на мембране, он интегрирует все возникающие на нейроне локальные потенциалы (возбуждающие и тормозные) — и первый срабатывает на достижение КУД, порождая нервный импульс.

Важно также учесть следующий факт. От аксонного холмика нервный импульс разбегается по всей мембране своего нейрона:  как по аксону к пресинаптическоим окончаниям, так и по дендритам к постсинаптическим «начинаниям». Все локальные потенциалы при этом снимаются с мембраны нейрона и со всех его синапсов, т.к. они «перебиваются» потенциалом действия от пробегающего по всей мембране нервного импульса.

2. Рецепторное окончание чувствительного (афферентного) нейрона

Если нейрон имеет рецепторное окончание, то на него может воздействовать адекватный раздражитель и порождать на этом окончании сначала рецепторный потенциал, затем генераторный потенциал, а потом и нервный импульс. Когда генераторный потенциал достигает КУД, то на этом окончании открываются потенциал-зависимые натриевые ионные каналы и рождается потенциал действия и нервный импульс. Нервный импульс бежит по дендриту к телу нейрона, а затем по его аксону к пресинаптическим окончаниям для передачи возбуждения на следующий нейрон. Так работают, к примеру, болевые рецепторы (ноцицепторы), являющиеся дендритными окончаниями болевых нейронов. Нервные импульсы в болевых нейронах вознимают именно на рецепторных окончаниях дендритов.

3. Первый перехват Ранвье на дендрите (триггерная зона дендрита)

Локальные возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) на окончаниях дендрита, которые формируются в ответ на возбуждения, приходящие к дендриту через синапсы, суммируются на первом перехвате Ранвье этого дендрита, если он, конечно, миелинизирован. Там находится участок мембраны с повышенной чувствительностью к возбуждению (пониженным порогом), поэтому именно в этом участке легче всего преодолевается критический уровень деполяризации (КУД), после чего открываются потенциал-управляемые ионные каналы для натрия — и возникает потенциал действия (нервный импульс).

4. Постсинаптическая мембрана возбуждающего синапса

В редких случаях ВПСП на возбуждающем синапсе может быть настолько силён, что прямо там же достигает КУД и порождает нервный импульс. Но чаще это бывает возможно только в результате суммации нескольких ВПСП: или с нескольких соседних синапсов, сработавших одновременно (пространственная суммация), или за счёт того, что на данный синапс пришло несколько импульсов подряд (временная суммация).

 Видео: Проведение нервного импульса по нервному волокну

Потенциал действия как нервный импульс

Ниже размещён материал, взятый из учебно-методического пособия автора данного сайта, на который вполне можно ссылаться в своём списке литературы:

Сазонов В.Ф. Понятие и виды торможения в физиологии центральной нервной системы: Учебно-методическое пособие. Ч. 1. Рязань: РГПУ, 2004. 80 с.

Все процессы мембранных изменений, происходящих в ходе распространяющегося возбуждения, достаточно хорошо изучены и описаны в научной и учебной литературе. Но не всегда это описание легко понять, поскольку в данном процессе задействовано слишком много компонентов (с точки зрения обычного студента, а не вундеркинда, конечно).

Для облегчения понимания мы предлагаем рассматривать единый электрохимический процесс распространяющегося динамичного возбуждения с трёх сторон, на трёх уровнях:

1. Электрические явления – развитие потенциала действия.

2. Химические явления – движение ионных потоков.

3. Структурные явления – поведение ионных каналов.

Три стороны процесса распространяющегося возбуждения

 1. Потенциал действия (ПД)

Потенциал действия – это скачкообразное изменение постоянного мембранного потенциала с отрицательной поляризации на положительную и обратно.

Обычно мембранный потенциал в нейронах ЦНС изменяется от –70 мВ до +30 мВ, а затем вновь возвращается к исходному состоянию, т.е. к –70 мВ. Как видим, понятие потенциала действия характеризуется через электрические явления на мембране.

На электрическом уровне изменения начинаются как смена поляризованного состояния мембраны на деполяризацию, что означает уменьшение электроотрицательности на внутренней стороне мембраны. Сначала деполяризация иёет в виде локального возбуждающего потенциала. Вплоть до критического уровня деполяризации (примерно –50 мВ) это относительно простое линейное уменьшение электроотрицательности, пропорциональное силе воздействующего раздражителя. А вот потом начинается более крутая самоусиливающаяся деполяризация, она развивается не с постоянной скоростью, а с ускорением. Говоря образно, деполяризация так разгоняется, что в разгону перескакивает через нулевую отметку, не заметив этого, и даже переходит в положительную поляризацию. После достижения пика (обычно +30 мВ) начинается обратный процесс – реполяризация, т.е. восстановление отрицательной поляризации мембраны.

Кратко опишем электрические явления во время течения потенциала действия:

Восходящая ветвь графика:

1. Потенциал покоя – исходное обычное поляризованное электроотрицательное состояние мембраны (–70 мВ).

2. Нарастающий локальный потенциал – пропорциональная раздражителю деполяризация в интервале от –70 мВ до –50 мВ.

3. Критический уровень деполяризации (–50 мВ) запускает резкое ускорение деполяризации за счёт самораскрытия нового вида натриевых каналов (потенциал-управляемых), с этой точки начинается спайк – высокоамплитудная часть потенциала действия.

4. Самоусиливающаяся круто нарастающая деполяризация за счёт автоматического самораскрытия потенциал-управляемых натриевых каналов.

5. Переход нулевой отметки (0 мВ) – смена полярности мембраны. Но новых процессов это событие не вызывает.

6. «Овершут» – положительная поляризация (=инверсия, или =реверсия потенциала мембраны). Электроотрицательность переходит в электроположительность.

7. Пик (+30 мВ) – вершина процесса изменения полярности мембраны, вершина потенциала действия. Открытые потенциал-управляемые натриевые каналы к этому моменту самостоятельно автоматически закрываются изнутри специальными белковыми «пробками», и поступление положительно заряженных ионов натрия в клетку прекращается. Поэтому прекращается нарастание потенциала действия.

Нисходящая ветвь графика:

1. Реполяризация – восстановление прежней исходной электроотрицательности мембраны. Потенциал от +30 мВ опускается вниз. Это происходит благодаря утечке ионов калия из клетки через множество открытых калиевых каналов. Эти ионы выходят из клетки под действием химической силы, из-за разности их концентрации внутри и снаружи клетки. Внутри их много, а снаружи мало, вот они и перемещаются туда, где их мало.

2. Переход нулевой отметки (0 мВ) – обратная смена полярности мембраны на прежнюю, отрицательную. Но ничего принципиально нового здесь не происходит. Разве что с этого момента начинает действовать электрическая сила, затягивающая положительные ионы внутрь клетки и удерживающая те из них, которые уже находятся в клетке. Ионам калия с этого момента становится всё труднее выходить из клетки.

3. Переход критического уровня деполяризации (–50 мВ) – прекращение фазы относительной рефрактерности (невозбудимости) и возврат возбудимости нейрона.

4. Следовые процессы (следовая деполяризация или следовая гиперполяризация).

5. Восстановление потенциала покоя – возврат мембраны к своему нормальному состоянию: –70 мВ.

Итак, сначала – деполяризация, затем – реполяризация. Сначала – утрата электроотрицательности, затем – восстановление электроотрицательности.

 2. Ионные потоки

Образно можно сказать, что заряженные ионы – это и есть создатели электрических потенциалов в нервных клетках. Для многих людей звучит странно утверждение, что вода не проводит электрический ток. Но на самом деле это так. Сама по себе вода является диэлектриком, а не проводником. В воде электрический ток обеспечивают не электроны, как в металлических проводах, а заряженные ионы: положительные катионы и отрицательные анионы. В живых клетках основную «электрическую работу» выполняют катионы, так как они более подвижны. Электрические токи в клетках – это потоки ионов.

Итак, важно осознать, что все электрические токи, которые идут через мембрану, являются ионными потоками. Привычного нам из физики тока в виде потока электронов в клетках, как в водных системах, просто нет. Ссылки на потоки электронов будут ошибкой.

На химическом уровне мы, описывая распространяющееся возбуждение, должны рассмотреть, как изменяются характеристики ионных потоков, идущих через мембрану. Главное в этом процессе то, что при деполяризации резко усиливается поток ионов натрия внутрь клетки, а затем он внезапно прекращается на спайке потенциала действия. Входящий поток натрия как раз и вызывает деполяризацию, так как ионы натрия приносят с собой положительные заряды в клетку (чем и снижают электроотрицательность). Затем, после спайка, значительно нарастает выходящий наружу поток ионов калия, что вызывает реполяризацию. Ведь калий, как мы неоднократно говорили, выносит с собой из клетки положительные заряды. Отрицательные заряды остаются внутри клетки в большинстве, и за счет этого усиливается электроотрицательность. Это и есть восстановление поляризации за счет выходящего потока ионов калия. Заметим, что выходящий поток ионов калия возникает практически одновременно с появлением натриевого потока, но нарастает медленно и длится в 10 раз дольше. Несмотря на продолжительность калиевого потока самих ионов расходуется немного – всего одна миллионная доля от запаса калия в клетке (0,000001 часть).

Подведем итоги. Восходящая ветвь графика потенциала действия образуется за счет входа в клетку ионов натрия, а нисходящая – за счет выхода из клетки ионов калия.

 3. Ионные каналы

Все три стороны процесса возбуждения – электрическая, химическая и структурная – необходимы для понимания его сущности. Но все-таки все начинается с работы ионных каналов. Именно состояние ионных каналов предопределяет поведение ионов, а поведение ионов в свою очередь сопровождается электрическими явлениями. Начинают процесс возбуждения натриевые каналы.

На молекулярно-структурном уровне происходит открытие мембранных натриевых каналов. Сначала этот процесс идет пропорционально силе внешнего воздействия, а затем становится просто «неудержимым» и массовым. Открытие каналов обеспечивает вход натрия в клетку и вызывает деполяризацию. Затем, примерно через 2-5 миллисекунд, происходит их автоматическое закрытие. Это закрытие каналов резко обрывает движение ионов натрия внутрь клетки, и, следовательно, обрывает нарастание электрического потенциала. Рост потенциала прекращается, и на графике мы видим спайк. Это вершина кривой на графике, дальше процесс пойдет уже в обратном направлении. Конечно, очень интересно разобраться в том, что натриевые каналы имеют двое ворот, и открываются они активационными воротами, а закрываются инактивационными, но это следует обсуждать ранее, в теме «Возбуждение». Мы на этом останавливаться не будем.

Параллельно в открытием натриевых каналов с небольшим отставанием во времени идет нарастающее открытие калиевых каналов. Они медлительные по сравнению с натриевыми. Открытие дополнительных калиевых каналов усиливает выход положительных ионов калия из клетки. Выход калия противодействует «натриевой» деполяризации и вызывает восстановление полярности (восстановление электроотрицательности). Но натриевые каналы опережают калиевые, они срабатывают примерно в 10 раз быстрее. Поэтому входящий поток положительных ионов натрия в клетку опережает компенсирующий выход ионов калия. И поэтому деполяризация развивается опережающими темпами по сравнению с противодействующей ей поляризацией, вызванной утечкой ионов калия. Вот почему, пока натриевые каналы не закроются, восстановление поляризации не начнется.

 Пожар как метафора распространяющегося возбуждения

Для того чтобы перейти к пониманию смысла динамичного процесса возбуждения, т.е. к пониманию его распространения вдоль мембраны, надо представить себе, что описанные нами выше процессы захватывают сначала ближайшие, а затем все новые, все более и более отдаленные участки мембраны, пока не пробегут по всей мембране полностью. Если вы видели «живую волну», которую устраивают болельщики на стадионе за счет вставания и приседания, то вам легко будет представить себе мембранную волну возбуждения, которая образуется за счет последовательного протекания в соседних участках трансмембранных ионных токов.

Когда мы искали образный пример, аналогию или метафору, которая может наглядно передать смысл распространяющегося возбуждения, то остановились на образе пожара. Действительно, распространяющееся возбуждение похоже на лесной пожар, когда горящие деревья остаются на месте, а фронт огня распространяется и уходит все дальше и дальше во все стороны от очага возгорания.

Как же в этой метафоре будет выглядеть явление торможения?

Ответ очевиден – торможение будет выглядеть как тушение пожара, как уменьшение горения и затухание огня. Но если огонь распространяется сам по себе, то тушение требует усилий. Из потушенного участка процесс тушения сам по себе не пойдет во все стороны.

Существует три варианта борьбы с пожаром: (1) либо надо ждать, когда все сгорит и огонь истощит все горючие запасы, (2) либо надо поливать водой горящие участки, чтобы они погасли, (3) либо надо поливать заранее ближайшие нетронутые огнем участки, чтобы они не загорелись.

Можно ли «погасить» волну распространяющегося возбуждения?

Вряд ли нервная клетка способна «погасить» этот начавшийся «пожар» возбуждения. Поэтому первый способ подходит только для искусственного вмешательства в работу нейронов (например, в лечебных целях). Но вот «залить водичкой» некоторые участки и поставить блок распространению возбуждения, оказывается, вполне возможно.

 © Сазонов В.Ф. Понятие и виды торможения в физиологии центральной нервной системы: Учебно-методическое пособие. Ч. 1. Рязань: РГПУ, 2004. 80 с.

АВТОВОЛНЫ В АКТИВНО-ВОЗБУДИМЫХ СРЕДАХ (АВС)

При распространении волны в активно-возбудимых средах не происходит переноса энергии. Энергия не переносится, а освобождается, когда до участка АВС доходит возбуждение. Можно провести аналогию с серией взрывов зарядов, заложенных на некотором расстоянии друг от друга (например, при тушении лесных пожаров, строительстве, мелиоративных работах), когда взрыв одного заряда вызывает взрыв рядом расположенного и так далее. Лесной пожар также является примером распространения волны в активно- возбудимой среде. Пламя распространяется по области с распределенными запасами энергии — деревья, валежник, сухой мох.

Основные свойства волн, распространяющихся в активно-возбудимых средах (АВС)

Волна возбуждения распространяется в АВС без затухания; прохождение волны возбуждения связано с рефрактерностью — невозбудимостью среды в течение некоторого промежутка времени (периода рефрактерности).

Источник: Антонов В.Ф., 1996.

Смотрите также: Потенциал действия мотонейрона

Видео: Потенциал действия (Action potential)

© 2012-2019 Сазонов В.Ф. © 2016-2019 kineziolog.su.

Потенциал покоя и потенциал действия

Автор статьи Зыбина А.М.

Мембрана всех живых клеток поляризована. Внутренняя сторона мембраны несет отрицательный заряд по сравнению с межклеточным пространством (рис. 1). Величина заряда, который несет мембрана называется мембранным потенциалом (МП). В невозбудимых тканях МП низкий, и составляет около -40 мВ. В возбудимых тканях он высокий, около -60 — -100 мВ и называется потенциалом покоя (ПП).

Потенциал покоя, как и любой мембранный потенциал формируется за счет избирательной проницаемости клеточной мембраны. Как известно, плазмолемма состоит из липидного бислоя, через который движение заряженных молекул затруднено. Белки, встроенные в мембрану, могут избирательно изменять проницаемость мембраны для различных ионов, в зависимости от приходящих стимулов.  При этом, для формирования потенциала покоя ведущую роль играют ионы калия, кроме них важны ионы натрия и хлора.

Рис. 1. Концентрации и распределение ионов с внутренней и внешней стороны мембраны.

Большинство ионов распределяются неравномерно с внутренней и внешней стороны клетки (рис. 1). Внутри клетки концентрация ионов калия выше, а натрия и хлора – ниже, чем снаружи. В состоянии покоя мембрана проницаема для ионов калия и практически непроницаема для ионов натрия и хлора. Несмотря на то, что калий может свободно выходить из клетки, его концентрации остаются неизменными благодаря отрицательному заряду на внутренней стороне мембраны. Таким образом, на калий действуют две силы, находящиеся в равновесии: осмотические (градиент концентрации К⁺) и электрические (заряд мембраны), благодаря чему число входящих в клетку ионов калия равно выходящим. Движение калия осуществляется через калиевые каналы утечки, открытые в состоянии покоя. Величину заряда мембраны, при которой ионы калия находятся в равновесии можно вычислить по уравнению Нернста:

Е_м = Е_к = RT / nF ln [ K⁺]_н / [ K⁺]_вн

 где Е_к — равновесный потенциал для К⁺; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; n — валентность К⁺ (+1), [К⁺_н] — [К⁺_вн] — наружная и внутренняя концентрации К⁺.

Если подставить в уравнение значения из таблицы на рис. 43, то мы получим величину равновесного потенциала, равную примерно -95 мВ. Это значение вписывается в диапазон мембранного потенциала возбудимых клеток. Отличия ПП разных клеток (даже возбудимых) могут возникать по трем причинам:

• отличия внутриклеточной и внеклеточной концентраций ионов калия в разных тканях (в таблице приведены данные по среднестатистическому нейрону);
• натрий-калиевая АТФаза может вносить свой вклад в значение заряда, так как она выводит из клетки 3 Na⁺ в обмен на 2 К⁺;
• несмотря на минимальную проницаемость мембраны для натрия и хлора, эти ионы все-таки могут попадать в клетки, хоть и от 10 до 100 раз хуже, по сравнению с калием.

Чтобы учесть проникновение других ионов в клетку существует уравнение Нернста-Гольдмана:

Е_м = RT / nF ln P_k[ K⁺]_вн +P_Na[ Na⁺]_вн +P_Cl[ Cl^—]_н / P_k[ K⁺]_{н +}P_Na[ Na⁺]_{н +} P_Cl[ Cl^—]_вн,

, где Е_m — мембранный потенциал; R — газовая постоянная; Т — аб­солютная температура; F — число Фарадея; Р_K , P_Na и Р_Cl — константы проницаемости мембраны для К⁺ Na⁺ и Сl, соответственно; [К⁺_н], [K⁺_вн], [Na⁺_н], [Na⁺_вн], [Сl^—_н] и [Сl^—_вн ]- концентрации K⁺, Na⁺ и Сl снаружи (н) и внутри (вн) клетки.

Такое уравнение позволяет установить более точную величину ПП. Обычно, мембрана оказывается на несколько мВ менее поляризована, по сравнению с равновесным потенциалом для К⁺.

Потенциал действия (ПД) может возникать в возбудимых клетках. Если на нерв или мышцу нанести раздражение выше порога возбуждения, то ПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет кратковременная перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной, после чего восстановится ПП. Это кратковременное изменение ПП, происходящее при возбуждении клетки называется потенциалом действия.

Возникновение ПД возможно благодаря тому, что в отличие от ионов калия, ионы натрия далеки от равновесия. Если подставить в уравнение Нернста натрий вместо калия, то мы получим равновесный потенциал, равный примерно +60 мВ.  Во время ПД, происходит кратковременное увеличение проницаемости для Na⁺. При этом, натрий начнет проникать в клетку под действием двух сил: по градиенту концентрации и по заряду мембраны, стремясь подстроить заряд мембраны под свой равновесный потенциал. Движение натрия осуществляется по потенциал-зависимым натриевым каналам, которые открываются в ответ на смещение мембранного потенциала, после чего сами инактивируются.

 

Рис. 2. Потенциал действия нервного волокна (А) и изменение проводимости мембраны для ионов натрия и калия (Б).

На записи ПД выглядит как кратковременный пик (рис. 44), имеющий несколько фаз.

1. Деполяризация (фаза нарастания) (рис. 44) – увеличение проницаемости для натрия из-за открытия натриевых каналов. Натрий стремится к своему равновесному потенциалу, но не достигает его, так как канал успевает инактивироваться.
2. Реполяризация – возвращение заряда к величине потенциала покоя. Помимо калиевых каналов утечки здесь подключаются потенциал-зависимые калиевые каналы (активируются от деполяризации). В это время калий выходит из клетки, возвращаясь к своему равновесному потенциалу.
3. Гиперполяризация (не всегда) – возникает в случаях, если равновесный потенциал по калию превышает по модулю ПП. Возвращение к ПП происходит после возвращения к равновесному потенциалу по К⁺.

Во время ПД происходит изменение полярности заряда мембраны. Фаза ПД, при которой заряд мембраны положителен, называется овершутом (рис. 2).

Для генерации ПД оказывается очень важной система активации и инактивации потенциал-управляемых натриевых каналов (рис. 3). Эти каналы имеют две створки: активационную (М-ворота) и инактивационную (Н-ворота). В состоянии покоя М-ворота открыты, а Н-ворота закрыты. Во время деполяризации мембраны М-ворота быстро открываются, а Н-ворота начинают закрываться. Ток натрия в клетку возможен пока М-ворота уже открыты, а Н-ворота еще не закрылись. Вход натрия приводит к дальнейшей деполяризации клетки, приводя к открытию большего количества каналов и запуская цепочку положительной обратной связи. Деполяризация мембраны будет продолжаться до тех пор, пока все потенциал-управляемые натриевые каналы не окажутся инактивированными, что происходит на пике ПД. Минимальная величина стимула, приводящая к возникновению ПД называется пороговой. Таким образом, возникший ПД будет подчиняться закону «все или ничего» и его величина не будет зависеть от величины стимула, вызвавшего ПД.

Благодаря Н-воротам инактивация канала происходит раньше, чем потенциал на мембране достигнет равновесной величины по натрию. После прекращения поступления натрия в клетку, происходит реполяризация за счет выходящих из клетки ионов калия. При этом к каналам утечки в этом случае подключаются еще и потениал-активируемые калиевые каналы. Во время реполяризации, в быстром натриевом канале быстро закрываются М-ворота. Н-ворота открываются гораздо медленнее и остаются закрытыми еще некоторое время после возвращения заряда к потенциалу покоя. Этот период принято называть периодом рефрактерности.

Рис. 3. Работа потенциал-управляемого натриевого канала.

Концентрации ионов внутри клетки восстанавливает натрий-калиевая АТФаза, которая с затратой энергии в виде АТФ откачивает из клетки 3 иона натрия и закачивает 2 иона калия.

По немиелинизированному волокну или по мембране мышцы потенциал действия распространяется непрерывно. Возникший потенциал действия за счет электрического поля способен деполяризовать мембрану соседнего участка до порогового значения, в результате чего на соседнем участке возникает деполяризация. Главную роль в возникновении потенциала на новом участке мембраны предыдущий участок. При этом на каждом участки сразу после ПД наступает период рефрактерности, за счет которое ПД распространяется однонаправленно. При прочих равных условиях распространение потенциала действия по немиелинизированному аксону происходит тем быстрее, чем больше диаметр волокна. У млекопитающих скорость составляет 1-4 м/с. Поскольку у беспозвоночных животных отсутствует миелин, в гигантских аксонах кальмара скорость ПД может достигать 100 м/c.

По миелинизированному волокну потенциал действия распространяется скачкообразно (сальтаторное проведение). Для миелинизированных волокон характерна концентрация потенциалзависимых ионных каналов только в областях перехватов Ранвье; здесь их плотность в 100 раз больше, чем в мембранах немиелинизированных волокон. В области миелиновых муфт потенциалзависимых каналов почти нет. Потенциал действия, возникший в одном перехвате Ранвье, за счет электрического поля деполяризует мембрану соседних перехватов до порогового значения, что приводит к возникновению в них новых потенциалов действия, то есть возбуждение переходит скачкообразно, от одного перехвата к другому. В случае повреждения одного перехвата Ранвье потенциал действия возбуждает 2-й, 3-й, 4-й и даже 5-й, поскольку электроизоляция, создаваемая миелиновыми муфтами, уменьшает рассеивание электрического поля. Сальтаторное проведение увеличивает скорость проведения ПД 15-20 раз до 120 м/с.

Работа нейронов

Нервная система состоит из нейронов и глиальных клеток. Однако, главную роль в проведении и передаче нервных импульсов играют нейроны. Они получают информацию от множества клеток по дендритам, анализируют ее и передают или не передают на следующий нейрон.

Передача нервного импульса с одной клетки на другую осуществляется с помощью синапсов. Различают два основных типа синапсов: электрические и химические (рис. 4). Задача любого синапса – передать информацию с пресинаптической мембраны (мембрана аксона) на постсинаптическую (мембрана дендрита, другого аксона, мышцы или другого органа-мишени). Большинство синапсов нервной системы образуется между окончанием аксонов и дендритами, которые в области синапса образуют дендритные шипики.

Преимущество электрического синапса состоит в том, что сигнал с одной клетки на другую переходит без задержки. Кроме того, такие синапсы не утомляются. Для этого пре- и постсинаптические мембраны соединены поперечными мостиками, через которые ионы из одной клетки могут перемещаться в другую. Однако, существенным минусом такой системы является отсутствие однонаправленной передачи ПД. То есть, он может передаваться как с пресинаптической мембраны на постсинаптическую, так и наоборот. Поэтому, такая конструкция встречается достаточно редко и в основном – в нервной системе беспозвоночных.

Рис. 4. Схема строения химического и электрического синапсов.

Химический синапс весьма распространен в природе. О устроен сложнее, так как необходима система преобразования электрического импульса в химический сигнал, затем, вновь в электрический импульс. Все это приводит к возникновению синаптической задержки, которая может составить 0,2-0,4 мс. Кроме того, может произойти истощение запасов химического вещества, что приведет к утомлению синапса.  Однако, такой синапс обеспечивает однонаправленность передачи ПД, что является его главным преимуществом.

Рис. 5. Схема работы (а) и электронная микрофотография (б) химического синапса.

В состоянии покоя окончание аксона, или пресинаптическое окончание, содержит мембранные пузырьки (везикулы) с нейромедиатором. Поверхность везикул заряжена отрицательно, чтобы предотвратить связывание с мембраной, и покрыта специальными белками, и принимающими участие в высвобождении везикул. В каждом пузырьке находится одинаковое количество химического вещества, которое называется квантом нейромедиатора. Нейромедиаторы весьма разнообразны по химическому строению, однако, большинство из них производятся прямо в окончании. Поэтому, в нем могут находиться системы, для синтеза химического посредника, а также аппарат Гольджи и митохондрии.

Постсинаптическая мембрана содержит рецепторы к нейромедиатору. Рецепторы могут быть в виде как ионных каналов, открывающихся при контакте со своим лигандом (ионотропные), так и мембранными белками, запускающими внутриклеточный каскад реакций (метаботропные). Один нейромедиатор может иметь несколько как ионотропных, так и метаботропных рецепторов. При этом, часть из них может быть возбуждающими, а часть – тормозными. Таким образом, реакцию клетки на нейромедиатор будет определять тип рецептора на ее мембране, и разные клетки могут совершенно по-разному реагировать на одно и то же химическое вещество.

Между пре- и постсинаптической мембраной располагается синаптическая щель, шириной 10-15 нм.

При приходе ПД на пресинаптическое окончание, на нем открываются потенциал-активируемые кальциевые каналы и ионы кальция входят в клетку. Кальций связывается с белками на поверхности везикул, что приводит к их транспортировке к пресинаптической мембране с последующим слиянием мембран. После такого взаимодействия нейромедиатор оказывается в синаптической щели (рис. 5) и может связаться со своим рецептором.

Ионотропные рецепторы – это лиганд-активируемые ионные каналы. Это значит, что канал открывается только в присутствии определенного химического вещества. Для разных нейромедиаторов это могут быть натриевые, кальциевые или хлорные каналы. Ток натрия и кальция вызывает деполяризацию мембраны, поэтому такие рецепторы называют возбуждающими. Хлорный ток приводит к гиперполяризации, что затрудняет генерацию ПД. Следовательно, такие рецепторы называют тормозными.

Метаботропные рецепторы к нейромедиаторам относят к классу рецепторов, ассоцированных с G-белками (GPCR). Эти белки запускают разнообразные внутриклеточные каскады реакций, приводящих в конечном итоге либо к дальнейшей передачи возбуждения, либо к торможению.

После передачи сигнала необходимо быстро удалить нейромедиатор из синаптической щели. Для этого в щели присутствуют либо ферменты расщепляющие, нейромедиатор, либо на пресинаптическом окончании или соседних глиальных клетках могут располагаться транспортеры, закачивающие медиатор в клетки. В последнем случае он может использоваться повторно.

Каждый нейрон получает импульсы от 100 до 100 000 синапсов. Одиночная деполяризация на одном дендрите не приведет к дальнейшей передаче сигнала. На нейрон могут приходит одновременно множество как возбуждающих, так и тормозных стимулов. Все они суммируются на соме нейрона. Такая суммация называется пространственной. Далее, может возникнуть или не возникнуть (в зависимости от пришедших сигналов) ПД в области аксонного холмика. Аксонный холмик – это область аксона, примыкающая к соме и обладающая минимальным порогом ПД. Далее импульс распространяется по аксону, конец которого может сильно ветвиться и образовывать синапсы со множеством клеток. Помимо пространственной, существует временная суммация. Она происходит в случае, поступления часто повторяющихся импульсов от одного дендрита.

Помимо классических синапсов между аксонами и дендритами или их шипиками, существуют также синапсы, модулирующие передачу в других синапсах (рис. 6). К ним относят аксо-аксональные синапсы.  Такие синапсы способны усиливать или тормозить синаптическую передачу. То есть, если на окончание аксона, образующего аксо-шипиковый синапс, пришел ПД, а в это время по аксо-аксональному синапсу на него пришел тормозный сигнал, высвобождения нейромедиатора в аксо-шипиковом синапсе не произойдет. Аксо-дендритные синапсы могут изменять проведение мембраной ПД на пути от шипика к соме клетки. Также существуют аксо-соматические синапсы, которые могут влиять на суммацию сигнала в области сомы нейрона.

Таким образом, существует огромное многообразие различных синапсов, отличающихся по составу нейромедиаторов, рецепторов и их местоположению. Все это обеспечивает разнообразие реакций и пластичность нервной системы.

Рис. 6. Разнообразие синапсов в нервной системе.

В физиологии , потенциал действия ( AP ) возникает , когда мембранный потенциал конкретного клеточного местоположения быстро поднимается и опускается: 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 . 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 . 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. Когда каналы открываются, они пропускают внутрь поток ионов натрия , который изменяет 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. Калийные каналы затем активируются, и есть наружу ток ионов калия, возвращая электрохимический градиент в состоянии 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. 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 выброс натрия обеспечивает «праймер», чтобы спровоцировать быстрое начало выброса кальция, которое затем вызывает сокращение мышц.

Обзор

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 элементов 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 как потенциалы 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.

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

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, что придает дендритам , аксонам 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. .

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 типы намного тише и могут длиться минуты или дольше, не испуская никаких потенциалов действия.

Биофизическая основа

Потенциалы действия возникают из-за наличия в клеточной мембране особых типов потенциалзависимых ионных каналов . Потенциально-зависимый ионный канал — это трансмембранный белок, обладающий 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. Когда этот цикл положительной обратной связи ( цикл Ходжкина ) развивается взрывно, возникает потенциал действия . 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 более медленного 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. 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 → деактивировано → 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. 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. Частота, с которой нейрон вырабатывает потенциалы действия, часто называется скоростью возбуждения или скоростью 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 с величиной стимула. Различные типы потенциала действия существуют во многих типах клеток и клеточных компартментах, что определяется типами управляемых напряжением 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 как потенциал действия на сердце и потенциал действия в 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. Миелинизированные участки аксонов не возбудимы и не производят потенциалов действия, а сигнал передается пассивно как электротонический потенциал . Регулярно расположенные немиелинизированные пятна, называемые узлами Ранвье , генерируют потенциалы действия для усиления сигнала. Этот тип распространения сигнала, известный как скачкообразная проводимость , 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. 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. Более того, противоречивые измерения изменений энтропии и времени оспаривают модель емкости как действующую в одиночку. С другой стороны, гипотеза адсорбции Гилберта Линга утверждает, что мембранный потенциал и потенциал действия живой клетки обусловлены адсорбцией подвижных ионов на адсорбционные участки клеток.

Созревание электрических свойств потенциала действия

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 большую постоянную времени и большее отклонение напряжения в точке P0, чем в точке P30. 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.

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. Первоначально нейроны Xenopus обладают потенциалом действия, который составляет 60–90 мс. В процессе разработки это время уменьшается до 1 мс. Это резкое снижение объясняется двумя причинами. Во-первых, входящий ток в основном переносится по натриевым каналам. Во- вторых, задержанный выпрямителя , А калиевый канал тока, увеличивается до 3,5 раз по сравнению с начальной прочностью.

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. 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.

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.

Нейротрансмиссия

Анатомия нейрона

Структура типичного нейрона

Нейрон
Дендрит Сома Аксон Ядро Узел Ранвье Аксон терминал Шванновская ячейка Миелиновой оболочки

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. ДП ), действовать как самостоятельная 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, то есть зоной срабатывания . 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. 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 значительное затухание 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 .

Посвящение

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. Эта деполяризация может происходить несколькими путями.

Динамика

Потенциалы действия чаще всего инициируются возбуждающими постсинаптическими потенциалами пресинаптического нейрона. 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, мембранного потенциала. 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. Более типично, возбуждающие потенциалы от 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 . 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. Электрические синапсы присутствуют во всех нервных системах, включая человеческий мозг, хотя их меньшинство.

Принцип «все или ничего»

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. Это контрастирует с рецепторными потенциалами , амплитуда которых зависит от интенсивности стимула. В обоих случаях частота потенциалов действия коррелирует с интенсивностью стимула.

Сенсорные нейроны

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. 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. 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 клетки и 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

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. Следы напряжения таких клеток известны как потенциалы кардиостимулятора . В кардиостимулятор клетки синусового узла в сердце дают хороший пример. Хотя у таких кардиостимуляторов есть естественный ритм , он может регулироваться внешними раздражителями; например, частота сердечных сокращений может быть изменена фармацевтическими препаратами, а также сигналами симпатических и парасимпатических нервов. Внешние стимулы не вызывают повторяющихся срабатываний клетки, а просто изменяют время их действия. В некоторых случаях регулирование частоты может быть более сложным, что приводит к паттернам потенциалов действия, таким как взрыв .

Фазы

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. Фаза недостаточного выброса или постгиперполяризации — 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.

Ход потенциала действия определяется двумя связанными эффектами. 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. Во-вторых, согласно уравнению Гольдмана , это изменение проницаемости изменяет равновесный потенциал E _m и, таким образом, мембранное напряжение V _m . Таким образом, мембранный потенциал влияет на проницаемость, которая затем дополнительно влияет на мембранный потенциал. Это создает возможность для положительной обратной связи , которая является ключевой частью фазы роста потенциала действия. 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. Например, хотя повышение V _m открывает большинство ворот в чувствительном к напряжению натриевом канале, оно также закрывает «ворота инактивации» канала, хотя и медленнее. 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 Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли в 1952 году, за что они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1963 году Однако, их модель учитывает только два типа чувствительные к напряжению ионные каналы, 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, и они не всегда открываются и закрываются независимо друг от друга.

Фаза стимуляции и подъема

Типичный потенциал действия начинается на бугре аксона с достаточно сильной деполяризации, например, стимула, увеличивающего 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 для других ионов, что позволяет 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. Поскольку ионы Na ⁺ находятся в более высоких концентрациях вне клетки, разница в концентрации и напряжении заставляет их проникать 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 _m с -70 мВ до -60 мВ), выходящий калиевый ток подавляет входящий натриевый ток, и мембрана реполяризуется обратно к своему нормальному потенциалу покоя около -70 мВ. Однако, если деполяризация достаточно велика, входящий натриевой ток увеличивается больше, чем выходящий калиевый ток, и возникает условие разгона ( положительная обратная связь ): чем больше входящий ток, тем больше увеличивается V _m , что, в свою очередь, еще больше увеличивает входящий ток. Текущий. Достаточно сильная деполяризация (увеличение V _m ) вызывает открытие чувствительных к напряжению натриевых каналов; увеличение проницаемости для натрия приближает V _m 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 приблизится к E _Na . Резкий рост V _m и проницаемости для натрия соответствует возрастающей фазе потенциала действия.

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 . В более длительные периоды времени, после восстановления некоторых, но не всех ионных каналов, аксон может быть стимулирован для создания другого потенциала действия, но с более высоким порогом, требующим гораздо более сильной деполяризации, например, до -30 мВ. Период, в течение которого необычно трудно вызвать потенциалы действия, называется относительным рефрактерным периодом .

Пиковая фаза

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 . 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 . Вместе эти изменения проницаемости для натрия и калия приводят к быстрому падению V _m , реполяризации мембраны и возникновению «фазы падения» потенциала действия.

После гиперполяризации

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 недоработка или гиперполяризация , называемая постгиперполяризацией , которая сохраняется до тех пор, пока проницаемость мембраны для калия не вернется к своему обычному значению, восстанавливая мембранный потенциал до состояния покоя.

Период отражения

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. Эти два рефрактерных периода вызваны изменениями состояния молекул натриевого и калиевого каналов. При закрытии после потенциала действия натриевые каналы переходят в «инактивированное» состояние , в котором их нельзя заставить открыться независимо от мембранного потенциала — это приводит к возникновению периода абсолютной рефрактерности. Даже после того, как достаточное количество натриевых каналов перешло обратно в 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. В любой данный момент участок аксона позади активно развивающейся части является рефрактерным, но участок впереди, не активировавшийся в последнее время, способен стимулироваться деполяризацией от потенциала действия.

Распространение

Потенциал действия, генерируемый на бугорке аксона, распространяется как волна вдоль аксона. 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.

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 активации активируемых напряжением натриевых каналов, чтобы восстановиться после инактивации, то есть вернуться в свое закрытое состояние. 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, абсолютный рефрактерный период гарантирует, что потенциал действия движется только в одном направлении вдоль аксона. Токи, протекающие из-за потенциала действия, распространяются в обоих направлениях вдоль аксона. 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 аксонов); распространение в противоположном направлении — известное как антидромная проводимость — очень редко. 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

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. Миелинизация встречается в основном у позвоночных , но аналогичная система была обнаружена у нескольких беспозвоночных, таких как некоторые виды креветок . Не все нейроны у позвоночных миелинизированы; например, аксоны нейронов, составляющих автономную нервную систему, обычно не миелинизированы.

Миелин предотвращает попадание ионов в аксон или его выход из миелинизированных сегментов. 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.

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 Ральфом Лилли, первые экспериментальные доказательства скачкообразной проводимости были получены от Ичиджи Тасаки и Тайджи Такеучи, а также от Эндрю Хаксли и Роберта Стэмпфли. 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. 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.

Длина миелинизированных сегментов аксонов важна для успеха скачкообразной проводимости. Они должны быть как можно более длинными, чтобы максимизировать скорость проведения, 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.

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

Теория кабеля

Поток токов внутри аксона может быть количественно описан теорией кабеля и ее разработками, такими как компартментальная модель. Теория кабеля была разработана в 1855 году лордом Кельвином для моделирования трансатлантического телеграфного кабеля и была показана Ходжкином и Раштоном в 1946 году для нейронов . В простой теории кабеля нейрон рассматривается как электрически пассивный, идеально цилиндрический передающий кабель, который можно описать уравнением в частных производных

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.

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 _i ниже в одном аксоне, чем в другом (например, потому что радиус первого больше), длина пространственного распада λ становится больше, а скорость проводимости потенциала действия должен увеличиваться. Если трансмембранное сопротивление r _m увеличивается, это снижает средний ток «утечки» через мембрану, аналогично увеличивая λ , увеличивая скорость проводимости.

Прекращение

Химические синапсы

В общем, потенциалы действия, которые достигают синаптических выступов, вызывают выброс нейротрансмиттера в синаптическую щель. 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 . Этот сложный процесс подавляется нейротоксинами, тетаноспазмином и ботулиническим токсином , которые вызывают столбняк и ботулизм соответственно.

Электрические синапсы

Некоторые синапсы обходятся без «посредника» нейротрансмиттера и соединяют вместе пресинаптические и постсинаптические клетки. Когда потенциал действия достигает такого синапса, ионные токи, текущие в пресинаптическую клетку, могут пересекать барьер двух клеточных мембран и проникать в постсинаптическую клетку через поры, известные как коннексоны . 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. Таким образом, электрические синапсы используются всякий раз , когда быстрая реакция и координация времени имеют решающее значение, так как в эвакуационных рефлексов , в сетчатке из позвоночных , и сердце .

Нервно-мышечные соединения

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

Другие типы клеток

Потенциалы сердечного действия

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. Это плато происходит из-за действия более медленного открытия кальциевых каналов и удержания напряжения на мембране около их равновесного потенциала даже после того, как натриевые каналы инактивированы.

Потенциал сердечного действия играет важную роль в координации сердечных сокращений. Сердечные клетки синоатриального узла обеспечивают потенциал кардиостимулятора, который синхронизирует работу сердца. 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 . И наоборот, аномалии потенциала сердечной деятельности — будь то из-за врожденной мутации или травмы — могут привести к патологиям человека, особенно к аритмиям . Некоторые противоаритмические препараты действуют на потенциал сердечного действия, такие как хинидин , лидокаин , бета-блокаторы и верапамил .

Потенциалы мышечного действия

Потенциал действия в нормальной клетке скелетных мышц аналогичен потенциалу действия в нейронах. Потенциалы действия возникают в результате деполяризации клеточной мембраны ( сарколеммы ), которая открывает чувствительные к напряжению натриевые каналы; они инактивируются, 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 позволяют мышцам сокращаться. Потенциалы мышечного действия провоцируются прибытием пресинаптического нейронального потенциала действия в нервно-мышечное соединение , которое является общей мишенью для нейротоксинов .

Потенциалы действия растений

Клетки растений и грибов 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. В 1906 году Дж. К. Бозе опубликовал первые измерения потенциалов действия у растений, которые ранее были обнаружены Бурдоном-Сандерсоном и Дарвином. 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.

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. Когда в почве мало питательных веществ, мухоловка полагается на диету из насекомых и животных. Несмотря на исследования этого растения, отсутствует понимание молекулярной основы венерианских мухоловок и хищных растений в целом.

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 (-120 мВ) ниже, чем у животных клеток (обычно от -90 до -40 мВ). Более низкий потенциал покоя облегчает активацию потенциала действия. Таким образом, когда насекомое попадает в ловушку растения, оно запускает механорецептор, похожий на волосы. Затем этот рецептор активирует потенциал действия, который длится около 1,5 мс. 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. 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. Таким образом, начинается накопление кальция и медленно спадает с первого триггера. Когда второй потенциал действия срабатывает в пределах временного интервала, он достигает порога кальция, чтобы деполяризовать клетку, закрывая ловушку на добыче за доли секунды.

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, по-видимому, возникло из-за осмотической функции электрической возбудимости у общих одноклеточных предков растений и животных в условиях меняющегося засоления. Кроме того, настоящая функция быстрой передачи сигнала рассматривается как новое достижение клеток многоклеточных животных в более стабильной осмотической среде. Вероятно, что известная сигнальная функция потенциалов действия у некоторых сосудистых растений (например, Mimosa pudica ) возникла независимо от таковой в возбудимых клетках многоклеточных животных.

В отличие от фазы подъема и пика, фаза спада и постгиперполяризация, по-видимому, в первую очередь зависят от катионов, которые не являются кальцием. Чтобы инициировать реполяризацию, клетке требуется перемещение калия из клетки посредством пассивного транспорта по мембране. Это отличается от нейронов, потому что движение калия не влияет на снижение мембранного потенциала; Фактически, для полной реполяризации растительной клетке требуется энергия в форме АТФ, чтобы способствовать высвобождению водорода из клетки — с использованием транспортера, широко известного как Н + -АТФаза.

Таксономическое распространение и эволюционные преимущества

Потенциалы действия обнаруживаются во всех многоклеточных организмах , включая растения , беспозвоночных, таких как насекомые , и позвоночных, таких как рептилии и млекопитающие . Губки , по-видимому, являются основным типом многоклеточных эукариот , который не передает потенциалы действия, хотя некоторые исследования показали, что эти организмы также имеют форму передачи электрических сигналов. Потенциал покоя, а также размер и продолжительность потенциала действия не сильно менялись с эволюцией, хотя скорость проводимости действительно сильно меняется в зависимости от диаметра аксона и миелинизации.

Сравнение потенциалов действия (ПД) репрезентативного поперечного сечения животных.

Животное	Тип ячейки	Потенциал покоя (мВ)	Увеличение АД (мВ)	Длительность AP (мс)	Скорость проводимости (м / с)
Кальмар ( Лолиго )	Гигантский аксон	−60	120	0,75	35 год
Дождевой червь ( Lumbricus )	Срединное гигантское волокно	−70	100	1.0	30
Таракан ( Periplaneta )	Гигантское волокно	−70	80–104	0,4	10
Лягушка ( Рана )	Аксон седалищного нерва	От -60 до -80	110–130	1.0	7–30
Кот ( Фелис )	Спинальный мотонейрон	От -55 до -80	80–110	1–1,5	30–120

Учитывая его сохранение на протяжении 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 «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 используется биологически для формирования центральных генераторов паттернов и имитируется в искусственных нейронных сетях .

Считается, что общий предок прокариот / эукариот, который жил около четырех миллиардов лет назад, имел каналы, управляемые напряжением. 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.

Экспериментальные методы

Изучение потенциалов действия потребовало разработки новых экспериментальных методов. Первоначальная работа, до 1955 г., была выполнена в основном Аланом Ллойдом Ходжкином и Эндрю Филдингом Хаксли , которые вместе с Джоном Кэрью Экклзом были удостоены Нобелевской премии 1963 г. 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 одной 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 ). Эти аксоны настолько большие в диаметре (примерно на 1 мм, или в 100 раз больше, чем у типичного нейрона), что их можно увидеть невооруженным глазом, что позволяет легко извлекать их и манипулировать ими. Однако они не являются репрезентативными для всех возбудимых клеток, и многие другие системы с потенциалами действия были изучены.

Вторая проблема была решена с помощью решающей разработки зажима напряжения , который позволил экспериментаторам изучать ионные токи, лежащие в основе потенциала действия изолированно, и устранил ключевой источник электронного шума , ток I _C, связанный с емкостью C мембраны. . Поскольку ток равен C, умноженному на скорость изменения трансмембранного напряжения V _m , решение заключалось в разработке схемы, которая поддерживала бы V _m фиксированным (нулевая скорость изменения) независимо от токов, протекающих через мембрану. Таким образом, ток, необходимый для поддержания постоянного значения V _m, 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.

Третья проблема — получение электродов, достаточно малых, чтобы регистрировать напряжения в пределах одного аксона, не нарушая его, — была решена в 1949 году с изобретением стеклянного микропипеточного электрода, который быстро был принят другими исследователями. Усовершенствования этого метода позволяют изготавливать наконечники электродов толщиной до 100 Å (10 нм ), что также обеспечивает высокий входной импеданс. Потенциалы действия также могут быть зарегистрированы 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.

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. Фиксация пластыря подтвердила, что ионные каналы имеют дискретные состояния проводимости, такие как открытые, закрытые и инактивированные.

В последние годы были разработаны оптические технологии 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 .

Нейротоксины

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; аналогично, дендротоксин из черного мамба змея подавляет напряжение-чувствительных калиевых каналов. 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

Роль электричества в нервной системе животных впервые была обнаружена в расчлененных лягушка от Луиджи Гальвани , который изучал его с 1791 по 1797 результатам Гальвани стимулируется Алессандро Вольта развивать груду Voltaic -The раннего известного электрического аккумулятор -с , который он изучал электричество животных (например, электрические угри ) и физиологические реакции на приложенное напряжение постоянного тока .

Ученые XIX века изучали распространение электрических сигналов по целым нервам (т. Е. Пучкам нейронов ) и продемонстрировали, что нервная ткань состоит из клеток , а не из взаимосвязанной сети трубок ( ретикулума ). 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. Скорость проведения потенциалов действия была впервые измерена в 1850 году другом дю Буа-Реймона, Германом фон Гельмгольцем . 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 . 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. Гипотезу Бернштейна подтвердили Кен Коул и Ховард Кертис, которые показали, что проводимость мембраны увеличивается во время потенциала действия. В 1907 году Луи Лапик предположил, что потенциал действия генерируется при превышении порога, что позже будет показано как продукт динамических систем ионных проводимостей. В 1949 году Алан Ходжкин и 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. Они сделали первую фактическую запись электрических изменений мембраны нейронов, которые опосредуют потенциал действия. Кульминацией этого направления исследований стали пять работ Ходжкина, Каца и Эндрю Хаксли 1952 года , в которых они применили метод фиксации напряжения для определения зависимости проницаемости аксональной мембраны для ионов натрия и калия от напряжения и времени, на основании чего они смогли количественно реконструировать потенциал действия. Ходжкин и Хаксли коррелировали свойства своей математической модели с дискретными ионными каналами, которые могли существовать в нескольких различных состояниях, включая «открытые», «закрытые» и «инактивированные». 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. В 21-м веке исследователи начинают понимать структурную основу этих состояний проводимости и селективности каналов для их разновидностей ионов с помощью кристаллических структур с атомным разрешением , измерений расстояния флуоресценции и исследований криоэлектронной микроскопии .

Юлиус Бернштейн был также первым, кто ввел уравнение Нернста для потенциала покоя через мембрану; это было обобщено Дэвидом Э. Голдманом до одноименного уравнения Голдмана в 1943 году. Натрий-калиевый насос был идентифицирован в 1957 году, и его свойства постепенно выяснились, что привело к определению его структуры атомного разрешения с помощью рентгеновской кристаллографии . Кристаллические структуры соответствующих ионных насосов также были решены, что дает более широкое представление о том, как работают эти молекулярные машины .

Количественные модели

Математические и вычислительные модели необходимы для понимания потенциала действия и предлагают прогнозы, которые могут быть проверены на экспериментальных данных, обеспечивая строгую проверку теории. Самой важной и точной из ранних нейронных моделей является модель Ходжкина – Хаксли , которая описывает потенциал действия с помощью совокупности четырех обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). Хотя модель Ходжкина-Хаксли может быть упрощением с некоторыми ограничениями по сравнению с реалистической нервной мембраны , как она существует в природе, ее сложность вдохновила несколько четно-более-упрощенные модели, такие как модель Морриса-Lecar и модели ФитцХью-Нагумо , оба из которых имеют только два связанных ODE. Свойства моделей Ходжкина – Хаксли и ФитцХью – Нагумо и их родственников, таких как модель Бонхёффера – Ван дер Поля, хорошо изучены в математике, вычислениях и электронике. Однако простые модели генераторного потенциала и потенциала действия не могут точно воспроизвести околопороговую частоту и форму нервных импульсов , особенно для механорецепторов, таких как тельца Пачини . Более современные исследования были сосредоточены на более крупных и интегрированных системах; объединяя модели потенциала действия с моделями других частей нервной системы (например, дендритов и синапсов), исследователи могут изучать нейронные вычисления и простые рефлексы , такие как рефлексы бегства и другие, контролируемые центральными генераторами паттернов .

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Сноски

журнальные статьи

Книги

веб-страница

дальнейшее чтение

внешние ссылки

• 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
• 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 неврологии, подготовленный Медицинской школой UT в Хьюстоне)
• Khan Academy: Электротоника и потенциал действия