Потенциал действия возникает, когда мембранный потенциал конкретной клетки быстро возрастает и падает. [1] Эта деполяризация затем приводит к аналогичной деполяризации соседних мест. Потенциалы действия возникают в нескольких типах животных клеток , называемых возбудимыми клетками , к которым относятся нейроны , мышечные клетки и в некоторых растительных клетках . Некоторые эндокринные клетки, такие как бета-клетки поджелудочной железы и некоторые клетки передней доли гипофиза, также являются возбудимыми клетками. [2]
В нейронах потенциалы действия играют центральную роль в межклеточной коммуникации, обеспечивая — или, что касается скачкообразной проводимости , помогая — распространению сигналов вдоль аксона нейрона к синаптическим бутонам , расположенным на концах аксона; эти сигналы затем могут соединяться с другими нейронами в синапсах или с двигательными клетками или железами. В других типах клеток их основная функция — активация внутриклеточных процессов. Например, в мышечных клетках потенциал действия является первым шагом в цепи событий, приводящих к сокращению. В бета-клетках поджелудочной железы они провоцируют выброс инсулина . [a] Потенциалы действия в нейронах также известны как « нервные импульсы » или « спайки », а временная последовательность потенциалов действия, генерируемых нейроном, называется « последовательностью спайков ». Нейрон, который излучает потенциал действия или нервный импульс, часто называют «стреляющим».
Потенциалы действия генерируются особыми типами потенциалзависимых ионных каналов, встроенных в плазматическую мембрану клетки . [b] Эти каналы закрываются, когда мембранный потенциал близок к (отрицательному) потенциалу покоя клетки, но они быстро начинают открываться, если мембранный потенциал увеличивается до точно определенного порогового напряжения, деполяризуя трансмембранный потенциал. [б] Когда каналы открываются, они пропускают внутрь поток ионов натрия , что изменяет электрохимический градиент, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению мембранного потенциала до нуля. Это приводит к открытию большего количества каналов, создавая больший электрический ток через клеточную мембрану и так далее. Процесс протекает бурно до тех пор, пока не откроются все доступные ионные каналы, что приводит к значительному повышению 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, а затем активно выводятся обратно из плазматической мембраны. Затем активируются калиевые каналы, и ионы калия выходят наружу, возвращая электрохимический градиент в состояние покоя. После возникновения потенциала действия происходит временный отрицательный сдвиг, называемый постгиперполяризацией .
В животных клетках существует два основных типа потенциалов действия. Один тип генерируется потенциал-управляемыми натриевыми каналами , другой — потенциал-управляемыми кальциевыми каналами . Потенциалы действия на основе натрия обычно длятся менее одной миллисекунды, но потенциалы действия на основе кальция могут длиться 100 миллисекунд или дольше. [ нужна цитата ] В некоторых типах нейронов медленные всплески кальция обеспечивают движущую силу для длительного всплеска быстро испускаемых всплесков натрия. С другой стороны, в клетках сердечной мышцы первоначальный быстрый всплеск натрия обеспечивает «праймер», провоцирующий быстрое всплеск кальция, который затем вызывает мышечное сокращение. [3]
Почти все клеточные мембраны животных, растений и грибов поддерживают разницу напряжений между внешней и внутренней частью клетки, называемую мембранным потенциалом . Типичное напряжение на мембране клеток животных составляет -70 мВ. Это означает, что внутренняя часть ячейки имеет отрицательное напряжение по отношению к внешней. В большинстве типов клеток мембранный потенциал обычно остается довольно постоянным. Однако некоторые типы клеток электрически активны в том смысле, что их напряжение колеблется с течением времени. В некоторых типах электрически активных клеток, включая нейроны и мышечные клетки, колебания напряжения часто принимают форму быстрого восходящего (положительного) всплеска, за которым следует быстрое падение. Эти циклы подъемов и падений известны как потенциалы действия . В некоторых типах нейронов весь цикл подъема и опускания занимает несколько тысячных долей секунды. В мышечных клетках типичный потенциал действия длится около пятой секунды. В растительных клетках потенциал действия может длиться три секунды и более. [4]
Электрические свойства клетки определяются строением ее мембраны. Клеточная мембрана состоит из липидного бислоя молекул, в который встроены более крупные белковые молекулы. Липидный бислой обладает высокой устойчивостью к движению электрически заряженных ионов, поэтому 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 внутри и снаружи клетки. Эти чувствительные к напряжению белки известны как потенциалзависимые ионные каналы .
Все клетки в тканях тела животных электрически поляризованы – другими словами, они поддерживают разность потенциалов на плазматической мембране клетки , известную как мембранный потенциал . Эта электрическая поляризация возникает в результате 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 одни части мембраны нейрона могут быть возбудимыми (способными генерировать потенциалы действия), а другие — нет. Недавние исследования показали, что наиболее возбудимой частью нейрона является часть после аксонного бугорка (точка, где аксон выходит из тела клетки), которая называется начальным сегментом аксона , но в большинстве случаев аксон и тело клетки также возбудимы. случаи. [5]
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 возмущает клетку, и более высокое значение, называемое пороговым потенциалом . В аксонном холмике типичного нейрона потенциал покоя составляет около –70 милливольт (мВ), а пороговый потенциал – около –55 мВ. Синаптические входы в нейрон вызывают деполяризацию или гиперполяризацию мембраны ; то есть они вызывают повышение или понижение мембранного потенциала. Потенциалы действия запускаются, когда накапливается достаточная деполяризация, 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 временной ход 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 гораздо тише и могут существовать в течение нескольких минут или дольше, не излучая никаких потенциалов действия.
Потенциалы действия возникают в результате присутствия в клеточной мембране особых типов потенциалзависимых ионных каналов . [6] Потенциал-управляемый ионный канал представляет собой трансмембранный белок, обладающий тремя ключевыми свойствами:
Таким образом, потенциалзависимый ионный канал имеет тенденцию быть открытым при одних значениях мембранного потенциала и закрытым при других. Однако в большинстве случаев связь между мембранным потенциалом и состоянием каналов носит вероятностный характер и включает временную задержку. Ионные каналы переключаются между конформациями в непредсказуемое время: мембранный потенциал определяет скорость переходов и вероятность каждого типа перехода в единицу времени.
Потенциал-управляемые ионные каналы способны создавать потенциалы действия, поскольку 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 привести к открытию ионных каналов, тем самым вызывая дальнейшее повышение мембранного потенциала. Потенциал действия возникает, когда этот цикл положительной обратной связи ( цикл Ходжкина ) протекает взрывно. Временная и амплитудная траектория потенциала действия определяется биофизическими свойствами потенциалзависимых ионных каналов, которые его производят. Действительно существует несколько типов каналов, способных производить положительную обратную связь, необходимую для генерации потенциала действия. Потенциал-управляемые натриевые каналы отвечают за потенциалы быстрого действия, участвующие в нервной проводимости. Более медленные потенциалы действия в мышечных клетках и некоторых типах нейронов генерируются потенциалзависимыми кальциевыми каналами. Каждый из этих типов представлен в нескольких вариантах, с разной чувствительностью к напряжению и разной временной динамикой.
Наиболее интенсивно изучаемый тип потенциалзависимых ионных каналов — натриевые каналы, участвующие в быстрой нервной проводимости. Их иногда называют натриевыми каналами Ходжкина-Хаксли, поскольку они были впервые охарактеризованы Аланом Ходжкиным и Эндрю Хаксли в их исследованиях биофизики потенциала действия, получивших Нобелевскую премию, но их удобнее называть каналами Na V. («V» означает «напряжение».) Канал Na V имеет три возможных состояния: деактивированное , активированное и инактивированное . Канал проницаем для ионов натрия только в активированном состоянии . При низком мембранном потенциале канал большую часть времени находится в деактивированном (закрытом) состоянии. Если мембранный потенциал повышается выше определенного уровня, канал демонстрирует повышенную вероятность перехода в активированное ( открытое) состояние. Чем выше мембранный потенциал, тем больше вероятность активации. После активации канала он в конечном итоге перейдет в неактивное (закрытое) состояние. Затем он имеет тенденцию оставаться инактивированным в течение некоторого времени, но если мембранный потенциал снова станет низким, канал в конечном итоге вернется в деактивированное состояние. Во время потенциала действия большинство каналов этого типа проходят цикл деактивированный → активированный → инактивированный → деактивированный . Однако это всего лишь среднее поведение населения – отдельный канал в принципе может совершить любой переход в любое время. Однако вероятность перехода канала из инактивированного состояния непосредственно в активированное состояние очень мала: канал в инактивированном состоянии является рефрактерным до тех пор, пока он не перейдет обратно в деактивированное состояние.
Результатом всего этого является то, что кинетика каналов Na V определяется матрицей перехода, 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 в ходе более поздних исследований, но они составляют отправную точку для большинства теоретических исследований биофизики потенциала действия.
Когда мембранный потенциал увеличивается, каналы ионов натрия открываются, позволяя ионам натрия проникать в клетку. За этим следует открытие каналов ионов калия , которые позволяют ионам калия выходить из клетки. Внутренний поток ионов натрия увеличивает концентрацию положительно заряженных катионов в клетке и вызывает деполяризацию, при которой потенциал клетки превышает потенциал покоя клетки . Натриевые каналы закрываются на пике потенциала действия, а калий продолжает покидать клетку. Отток ионов калия снижает мембранный потенциал или гиперполяризует клетку. При небольшом увеличении напряжения в состоянии покоя ток калия превышает ток натрия, и напряжение возвращается к своему нормальному значению в состоянии покоя, обычно -70 мВ. [7] [8] [9] Однако, если напряжение превышает критический порог, обычно на 15 мВ выше значения покоя, натриевый ток будет доминировать. 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. [7] [10] [11] [примечание 1] Частоту, с которой нейрон вызывает потенциалы действия, часто называют частотой срабатывания или частотой возбуждения нейронов .
Токи, возникающие при открытии потенциалзависимых каналов в ходе потенциала действия, обычно значительно превышают начальный стимулирующий ток. Таким образом, амплитуда, длительность и форма потенциала действия во многом определяются свойствами возбудимой мембраны, а не амплитудой или длительностью раздражителя. Это свойство потенциала действия «все или ничего» отличает его от градуированных потенциалов, таких как рецепторные потенциалы , электротонические потенциалы , подпороговые колебания мембранного потенциала и синаптические потенциалы , которые масштабируются в зависимости от величины стимула. Во многих типах клеток и клеточных компартментах существуют различные типы потенциалов действия, что определяется типами потенциалзависимых 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 поступают в клетку, а ионы калия выходят, восстанавливая равновесие. Относительно небольшому количеству ионов необходимо пересечь мембрану, чтобы напряжение на мембране резко изменилось. Таким образом, ионы, обменивающиеся во время потенциала действия, вносят незначительные изменения во внутреннюю и внешнюю концентрацию ионов. Те немногие ионы, которые пересекают мембрану, 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 сердечный потенциал действия и потенциал действия у одноклеточной водоросли Acetabularia соответственно.
Хотя потенциалы действия генерируются локально на участках возбудимой мембраны, возникающие в результате токи могут запускать потенциалы действия на соседних участках мембраны, ускоряя распространение по принципу домино. В отличие от пассивного распространения электрических потенциалов ( электротонический потенциал ), потенциалы действия заново генерируются вдоль возбудимых участков мембраны и распространяются без распада. [12] Миелиновые участки аксонов не возбудимы и не производят потенциалы действия, а сигнал распространяется пассивно в виде электротонического потенциала . Регулярно расположенные немиелиновые участки, 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, вызывает высвобождение нейромедиатора в синаптическую щель . Кроме того, потенциалы обратного распространения были зарегистрированы в дендритах пирамидных нейронов , которые повсеместно распространены в неокортексе. [c] Считается, что они играют роль в пластичности, зависящей от времени всплеска .
В модели емкости мембраны Ходжкина-Хаксли скорость передачи потенциала действия не была определена, и предполагалось, что соседние области деполяризуются из-за интерференции высвободившихся ионов с соседними каналами. Измерения диффузии и радиусов ионов с тех пор показали, что это невозможно. [ нужна цитата ] Более того, противоречивые измерения изменений энтропии и времени оспаривают емкостную модель как действующую в одиночку. [ нужна цитация ] Альтернативно, адсорбционная гипотеза Гилберта Линга утверждает, что мембранный потенциал и потенциал действия живой клетки обусловлены адсорбцией мобильных ионов на адсорбционные участки клеток. [13]
Способность нейрона генерировать и распространять потенциал действия меняется в процессе развития . Насколько изменится мембранный потенциал нейрона под действием импульса тока, зависит от входного сопротивления мембраны . По мере роста клетки к мембране добавляется больше каналов , что приводит к уменьшению входного сопротивления. Зрелый нейрон также претерпевает более короткие изменения мембранного потенциала в ответ на синаптические токи. Нейроны латерального коленчатого ядра хорька имеют более длительную постоянную времени и большее отклонение напряжения при P0, чем при P30. [14] Одним из последствий уменьшения продолжительности потенциала действия является то, что точность сигнала может сохраняться в ответ на высокочастотную стимуляцию. Незрелые нейроны более склонны к синаптической депрессии, чем к потенциации после высокочастотной стимуляции. [14]
На ранних стадиях развития многих организмов потенциал действия изначально переносится кальциевым , а не натриевым током . 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 медленнее, чем у зрелых нейронов. [14] Нейроны Xenopus изначально имеют потенциалы действия, которые занимают 60–90 мс. В процессе разработки это время уменьшается до 1 мс. Есть две причины такого резкого снижения. Во-первых, входящий ток в основном переносится по натриевым каналам. [15] Во-вторых, выпрямитель с задержкой , ток калиевого канала , увеличивается в 3,5 раза по сравнению с первоначальной силой. [14]
Для того чтобы произошел переход от кальций-зависимого потенциала действия к натрий-зависимому потенциалу действия, к мембране необходимо добавить новые каналы. Если нейроны Xenopus выращивать в среде с ингибиторами синтеза РНК или синтеза белка , этот переход предотвращается. [16] Даже электрическая активность самой клетки может играть роль в экспрессии каналов. Если потенциалы действия в миоцитах Xenopus блокируются, типичное увеличение плотности тока натрия и калия предотвращается или задерживается. [17]
Такое созревание электрических свойств наблюдается у разных видов. Токи натрия и калия Xenopus резко увеличиваются после того, как нейрон проходит заключительную фазу митоза . Плотность натриевого тока корковых нейронов крыс увеличивается на 600% в течение первых двух постнатальных недель. [14]
Несколько типов клеток поддерживают потенциал действия, например растительные клетки, мышечные клетки и специализированные клетки сердца (в которых возникает сердечный потенциал действия ). Однако основной возбудимой клеткой является нейрон , который также имеет простейший механизм формирования 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 отростки, основная функция которых — получение синаптических сигналов. Их выступы, известные как дендритные шипы , предназначены для захвата нейротрансмиттеров, выделяемых пресинаптическим нейроном. Они имеют высокую концентрацию лиганд-управляемых ионных каналов . Эти шипы имеют тонкую шейку, соединяющую выпуклый выступ с дендритом. Это гарантирует, что изменения, происходящие внутри позвоночника, с меньшей вероятностью затронут соседние позвонки. Дендритный шип может, за редким исключением (см. LTP ), действовать как самостоятельная единица. Дендриты отходят от сомы, в которой находится ядро и многие «нормальные» эукариотические органеллы. В отличие от шипов, поверхность сомы заполнена ионными каналами, активируемыми напряжением. Эти каналы помогают передавать сигналы, генерируемые дендритами. Из сомы выходит аксонный бугорок . Эта область характеризуется очень высокой концентрацией натриевых каналов, активируемых напряжением. В целом считается, что это зона инициации спайков потенциалов действия, [18] т.е. триггерная зона . Множественные сигналы, генерируемые в позвоночнике и передаваемые сомой, сходятся здесь. Сразу за аксонным бугорком 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), оба из которых являются типами глиальных клеток . Хотя глиальные клетки не участвуют в передаче электрических сигналов, они взаимодействуют и обеспечивают важную биохимическую поддержку нейронов. [19] Точнее, миелин несколько раз оборачивается вокруг сегмента аксона, образуя толстый жировой слой, который предотвращает попадание ионов в аксон или выход из него. Эта изоляция предотвращает значительное затухание сигнала, а также обеспечивает более высокую скорость передачи сигнала. Однако эта изоляция имеет ограничение: на поверхности аксона не может быть никаких каналов. Таким образом, существуют равномерно расположенные участки мембраны, не имеющие изоляции. Эти узлы Ранвье можно рассматривать как «мини-бугорки аксонов», поскольку их цель — усилить сигнал, чтобы предотвратить его значительное затухание. На самом дальнем конце аксон теряет изоляцию и начинает разветвляться на несколько окончаний аксона.. Эти пресинаптические окончания, или синаптические бутоны, представляют собой специализированную область внутри аксона пресинаптической клетки, содержащую нейротрансмиттеры, заключенные в небольшие мембраносвязанные сферы, называемые синаптическими пузырьками .
Прежде чем рассматривать распространение потенциалов действия по аксонам и их прекращение в синаптических бугорках, полезно рассмотреть методы, с помощью которых потенциалы действия могут быть инициированы в аксонном холмике . Основное требование состоит в том, чтобы напряжение мембраны на бугре было выше порога срабатывания. [7] [8] [20] [21] Существует несколько способов возникновения этой деполяризации.
Потенциалы действия чаще всего инициируются возбуждающими постсинаптическими потенциалами пресинаптического нейрона. [22] Обычно молекулы нейромедиаторов высвобождаются пресинаптическим нейроном . Эти нейротрансмиттеры затем связываются с рецепторами постсинаптической клетки. Это связывание открывает различные типы ионных каналов . Это открытие имеет дополнительный эффект изменения местной проницаемости клеточной мембраны и, следовательно, мембранного потенциала. Если связывание увеличивает напряжение (деполяризует мембрану), синапс является возбуждающим. Однако если связывание снижает напряжение (гиперполяризует мембрану), оно является тормозным. Независимо от того, увеличивается или уменьшается напряжение, изменение пассивно распространяется на близлежащие области мембраны (как описано уравнением кабеля и его уточнениями). Обычно напряжение стимула затухает экспоненциально по мере удаления от синапса и со временем от связывания нейромедиатора. Некоторая часть возбуждающего напряжения может достичь бугорка аксона и (в редких случаях) деполяризовать мембрану настолько, чтобы спровоцировать новый потенциал действия. Чаще всего возбуждающие потенциалы нескольких синапсов должны работать вместе почти одновременно, чтобы спровоцировать новый потенциал действия. Однако их совместным усилиям могут помешать противодействующие тормозные постсинаптические потенциалы .
Нейротрансмиссия также может происходить через электрические синапсы . [23] Благодаря прямой связи между возбудимыми клетками в виде щелевых контактов потенциал действия может передаваться непосредственно от одной клетки к другой в любом направлении. Свободный поток ионов между клетками обеспечивает быструю нехимическую передачу. Выпрямляющие каналы обеспечивают движение потенциалов действия только в одном направлении через электрический синапс. [ нужна цитата ] Электрические синапсы встречаются во всех нервных системах, включая человеческий мозг, хотя их явное меньшинство. [24]
Часто полагают , что амплитуда потенциала действия не зависит от силы тока, который его вызвал. Другими словами, большие токи не создают больших потенциалов действия. Поэтому говорят, что потенциалы действия являются сигналами «все или ничего» , поскольку они либо возникают полностью, либо не возникают вообще. [d] [e] [f] В отличие от рецепторных потенциалов , амплитуды которых зависят от интенсивности стимула. [25] В обоих случаях частота потенциалов действия коррелирует с интенсивностью стимула.
Несмотря на то, что классический взгляд на потенциал действия как на стереотипный, однородный сигнал, доминировавший в области нейробиологии на протяжении многих десятилетий, новые данные действительно позволяют предположить, что потенциалы действия являются более сложными событиями, действительно способными передавать информацию не только благодаря своей амплитуде, но и своей продолжительности и фазу, а иногда даже на расстояния, которые изначально считались невозможными. [26] [27] [28] [29]
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. [30] Эти изменения напряжения снова могут быть возбуждающими (деполяризующими) или тормозящими (гиперполяризующими), и в некоторых сенсорных нейронах их совокупный эффект может деполяризовать аксонный холмик настолько, чтобы спровоцировать потенциалы действия. Некоторые примеры у людей включают обонятельный рецепторный нейрон и тельце Мейсснера , которые имеют решающее значение для обоняния и осязания соответственно . Однако не все сенсорные нейроны преобразуют свои внешние сигналы в потенциалы действия; у некоторых даже нет аксона. [31] Вместо этого они могут преобразовать сигнал в высвобождение нейромедиатора или в непрерывные градуированные потенциалы , любой из которых может стимулировать последующие нейроны к запуску потенциала действия. Например, в человеческом ухе волосковые клетки преобразуют входящий звук в открытие и закрытие механически управляемых ионных каналов , что может вызвать высвобождение молекул нейромедиаторов . Аналогичным образом, в сетчатке человека начальные фоторецепторные клетки и следующий слой клеток (включающий биполярные клетки и горизонтальные клетки ) не производят потенциалы действия; только некоторые амакриновые клетки и третий слой, ганглиозные клетки , производят потенциалы действия, которые затем перемещаются вверх по зрительному нерву .
В сенсорных нейронах потенциалы действия возникают в результате внешнего стимула. Однако некоторым возбудимым клеткам такой стимул для срабатывания не требуется: они спонтанно деполяризуют свой аксонный бугорок и запускают потенциалы действия с постоянной скоростью, как внутренние часы. [32] Следы напряжения таких клеток известны как потенциалы кардиостимулятора . [33] Хорошим примером являются кардиостимуляторные клетки синоатриального узла сердца . [g] Хотя такие потенциалы кардиостимулятора имеют естественный ритм , его можно регулировать внешними раздражителями; например, частота сердечных сокращений может быть изменена фармацевтическими препаратами, а также сигналами симпатических и парасимпатических нервов . [34] Внешние стимулы не вызывают повторяющихся срабатываний клетки, а просто изменяют время их срабатывания. [33] В некоторых случаях регулирование частоты может быть более сложным, что приводит к возникновению паттернов потенциалов действия, таких как взрывы .
Ход потенциала действия можно разделить на пять частей: фазу подъема, фазу пика, фазу спада, фазу снижения и рефрактерный период. Во время фазы подъема мембранный потенциал деполяризуется (становится более положительным). Точка, в которой деполяризация прекращается, называется пиковой фазой. На этом этапе мембранный потенциал достигает максимума. После этого наступает фаза падения. На этом этапе мембранный потенциал становится более отрицательным, возвращаясь к потенциалу покоя. Фаза недолета, или послегиперполяризации , — это период, в течение которого мембранный потенциал временно становится более отрицательно заряженным, чем в состоянии покоя (гиперполяризация). Наконец, время, в течение которого последующий потенциал действия невозможен или затруднен, называется рефрактерным периодом и может перекрываться с другими фазами. [35]
Ход потенциала действия определяется двумя связанными эффектами. [36] Во-первых, потенциал-чувствительные ионные каналы открываются и закрываются в ответ на изменения мембранного напряжения V m . Это изменяет проницаемость мембраны для этих ионов. [37] Во-вторых, согласно уравнению Гольдмана , это изменение проницаемости изменяет равновесный потенциал Em и, таким образом, мембранное напряжение V m . [h] Таким образом, мембранный потенциал влияет на проницаемость, которая затем дополнительно влияет на мембранный потенциал. Это создает возможность для положительной обратной связи , которая является ключевой частью фазы роста потенциала действия. [7] [10] 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. [38] [i] Например, хотя повышение V m открывает большинство ворот в потенциал-чувствительном натриевом канале, оно также закрывает «ворота инактивации» канала, хотя и медленнее. [39] 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 точно смоделированы Аланом Ллойдом Ходжкиным и Эндрю Хаксли в 1952 году, [i] за что они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1963 году. [нижний греческий 2] Однако их модель рассматривает только два типа потенциал-чувствительных ионных каналов и делает о них несколько предположений, например, что их внутренние ворота открываются и закрываются независимо друг от друга. В действительности существует множество типов ионных каналов [40] и они не всегда открываются и закрываются независимо друг от друга. [Дж]
Типичный потенциал действия начинается на аксонном холмике [41] при достаточно сильной деполяризации, например, при стимуле, увеличивающем 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 кардиостимулятора .
Для нейрона в состоянии покоя во внеклеточной жидкости наблюдается высокая концентрация ионов натрия и хлора по сравнению с внутриклеточной жидкостью , а во внутриклеточной жидкости - высокая концентрация ионов калия по сравнению с внеклеточной жидкостью. Разница в концентрациях, которая заставляет ионы перемещаться от высокой концентрации к низкой , и электростатические эффекты (притяжение противоположных зарядов) ответственны за движение ионов в нейрон и из него. Внутренняя часть нейрона имеет отрицательный заряд по сравнению с внешней частью клетки из-за движения K + из клетки. Мембрана нейрона более проницаема для К + , чем для других ионов, что позволяет этому иону избирательно выходить из клетки по градиенту ее 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. [42] Поскольку ионы Na + находятся в более высоких концентрациях вне клетки, разница в концентрации и напряжении приводит их в клетку, когда каналы Na + открываются. Деполяризация открывает как натриевые, так и калиевые каналы в мембране, позволяя ионам поступать в аксон и выходить из него соответственно. Если деполяризация невелика (скажем, при увеличении V m с -70 мВ до -60 мВ), внешний ток калия подавляет входящий ток натрия, и мембрана реполяризуется обратно к своему нормальному потенциалу покоя около -70 мВ. [7] [8] [9] Однако, если деполяризация достаточно велика, входящий ток натрия увеличивается больше, чем внешний ток калия, и возникает состояние неуправляемого состояния ( положительная обратная связь ): чем больше входящий ток, тем больше В м увеличивается, что, в свою очередь, еще больше увеличивает входящий ток. [7] [10] Достаточно сильная деполяризация (увеличение V m ) вызывает открытие потенциал-чувствительных натриевых каналов; увеличение проницаемости для натрия приближает V m к равновесному напряжению натрия E Na ≈ +55 мВ. Увеличение 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 . [7] [8] [20][21] Резкий рост V м и натриевой проницаемости соответствует нарастающей фазе потенциала действия. [7] [8] [20] [21]
Критическое пороговое напряжение для этого состояния неконтролируемого состояния обычно составляет около -45 мВ, но оно зависит от недавней активности аксона. Клетка, только что запустившая потенциал действия, не может немедленно запустить другой, поскольку каналы Na + не восстановились из инактивированного состояния. Период, в течение которого не может быть запущен новый потенциал действия, называется периодом абсолютной рефрактерности . [43] [44] [45] 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, требующего гораздо более сильной деполяризации, например, до −30 мВ. Период, в течение которого потенциалы действия необычайно трудно вызвать, называется относительным рефрактерным периодом . [43] [44] [45]
Положительная обратная связь восходящей фазы замедляется и прекращается, когда каналы ионов натрия становятся максимально открытыми. На пике потенциала действия проницаемость натрия максимальна, а мембранное напряжение V m почти равно равновесному напряжению натрия E Na . Однако то же самое повышенное напряжение, которое первоначально открыло натриевые каналы, также медленно их закрывает, закрывая их поры; натриевые каналы инактивируются . [39] 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 потенциалу калиевые каналы; увеличение проницаемости мембраны для калия приводит к тому, что V m приближается к EK . [39] В совокупности эти изменения проницаемости для натрия и калия вызывают быстрое падение V m , реполяризуя мембрану и вызывая «фазу падения» потенциала действия. [43] [46] [21] [47]
Деполяризованное напряжение открывает дополнительные потенциал-зависимые калиевые каналы, и некоторые из них не закрываются сразу, 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 временно необычайно низка, что делает мембранное напряжение V m еще ближе к равновесному напряжению калия E K . Мембранный потенциал становится ниже мембранного потенциала покоя. Следовательно, возникает недостаточная 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. [48] [46]
За каждым потенциалом действия следует период рефрактерности , который можно разделить на период абсолютной рефрактерности , в течение которого невозможно вызвать другой потенциал действия, и затем период относительной рефрактерности , в течение которого требуется более сильный, чем обычно, стимул. [43] [44] [45] Эти два рефрактерных периода вызваны изменениями состояния молекул натриевых и калиевых 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 периоду абсолютной рефрактерности. Даже после того, как достаточное количество натриевых каналов вернулось в состояние покоя, часто случается, что часть калиевых каналов остается открытой, что затрудняет деполяризацию мембранного потенциала и тем самым приводит к возникновению относительного рефрактерного периода. Поскольку плотность и подтипы калиевых каналов могут сильно различаться у разных типов нейронов, продолжительность относительного рефрактерного периода сильно варьирует.
Абсолютный рефрактерный период в значительной степени ответственен за однонаправленное распространение потенциалов действия по аксонам. [49] В любой данный момент участок аксона позади активно активирующей части является рефрактерным, но участок впереди, не активированный в последнее время, способен стимулироваться деполяризацией от потенциала действия.
Потенциал действия, генерируемый на аксонном холмике, распространяется волнообразно вдоль аксона. [50] Токи, текущие внутрь в определенной 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 базовый механизм был продемонстрирован Аланом Ллойдом Ходжкиным в 1937 году. После дробления 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. [к]
Как только на участке мембраны возник потенциал действия, этому участку мембраны требуется время для восстановления, прежде чем он сможет снова сработать. На молекулярном уровне этот период абсолютной рефрактерности соответствует времени, необходимому для восстановления активируемых напряжением натриевых каналов после инактивации, т. е. для возвращения в закрытое состояние. [44] В нейронах существует множество типов калиевых каналов, активируемых напряжением. Некоторые из них инактивируются быстро (токи типа А), другие инактивируются медленно или не инактивируются вообще; эта изменчивость гарантирует, что всегда будет доступный источник тока для реполяризации, даже если некоторые из калиевых каналов инактивируются из-за предшествующей деполяризации. С другой стороны, все нейрональные натриевые каналы, активируемые напряжением, 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 и ограничивает частоту возбуждения, [51] период абсолютной рефрактерности гарантирует, что потенциал действия движется только в одном направлении вдоль аксона. [49] Токи, втекающие благодаря потенциалу действия, распространяются в обоих направлениях вдоль аксона. [52] Однако только неактивированная часть аксона может ответить потенциалом действия; часть, которая только что сработала, не реагирует до тех пор, пока потенциал действия не выйдет за пределы допустимого диапазона и не сможет рестимулировать эту часть. При обычной ортодромной проводимости потенциал действия распространяется от аксонного бугорка к синаптическим выступам (концам аксона); распространение в противоположном направлении, известное как антидромная проводимость , встречается очень редко. [53] Однако, если лабораторный аксон стимулируется в его середине, обе половины аксона являются «свежими», т. е. необожженными; тогда будут генерироваться два потенциала действия: один движется к аксонному бугорку, а другой - к синаптическим выступам.
Чтобы обеспечить быструю и эффективную передачу электрических сигналов в нервной системе, аксоны определенных нейронов покрыты миелиновыми оболочками. Миелин представляет собой многослойную мембрану, которая окружает аксон сегментами, разделенными промежутками, известными как перехваты Ранвье . Его продуцируют специализированные клетки: шванновские клетки исключительно периферической нервной системы и олигодендроциты исключительно центральной нервной системы . Миелиновая оболочка уменьшает емкость мембраны и увеличивает сопротивление мембраны в межузловых интервалах, тем самым обеспечивая быстрое скачкообразное движение потенциалов действия от узла к узлу. [l] [m] [n] Миелинизация встречается главным образом у позвоночных , но аналогичная система обнаружена у некоторых беспозвоночных, например у некоторых видов креветок . [о] Не все нейроны у позвоночных миелинизированы; например, аксоны нейронов, составляющих автономную нервную систему, как правило, не миелинизированы.
Миелин предотвращает попадание ионов в аксон или выход из него вдоль миелинизированных сегментов. Как правило, миелинизация увеличивает скорость проведения потенциалов действия и делает их более энергоэффективными. Независимо от того, скачет ли он или нет, средняя скорость проведения потенциала действия колеблется от 1 метра в секунду (м/с) до более 100 м/с и, как правило, увеличивается с увеличением диаметра аксона. [п]
Потенциалы действия не могут распространяться через мембрану в миелинизированных сегментах аксона. Однако ток переносится цитоплазмой, которой 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 кажущееся «перескакивание» потенциала действия от узла к узлу известно как скачкообразная проводимость . Хотя механизм скачкообразной проводимости был предложен в 1925 году Ральфом Лилли, [q] первые экспериментальные доказательства скачкообразной проводимости были получены от Ичиджи Тасаки [r] и Тайджи Такеучи [s] [54] , а также от Эндрю Хаксли и Роберта Стемпфли. [t] Напротив, в немиелинизированных аксонах потенциал действия провоцирует другой потенциал действия в непосредственно прилегающей мембране и непрерывно движется вниз по аксону, как волна.
Миелин имеет два важных преимущества: высокая скорость проводимости и энергоэффективность. Для аксонов, диаметр которых превышает минимальный (примерно 1 микрометр ), миелинизация увеличивает скорость проведения потенциала действия, обычно в десять раз. [v] И наоборот, при заданной скорости проводимости миелиновые волокна меньше, чем их немиелиновые аналоги. Например, потенциалы действия движутся примерно с одинаковой скоростью (25 м/с) в миелинизированном аксоне лягушки и немиелинизированном аксоне гигантского 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 «просачиваются» через мембрану, экономя метаболическую энергию. Такая экономия является существенным селективным преимуществом , поскольку нервная система человека использует примерно 20% метаболической энергии организма. [в]
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 поступающий сигнал был слишком слабым, чтобы спровоцировать потенциал действия в следующем узле Ранвье. В природе миелинизированные сегменты обычно достаточно длинные, чтобы пассивно распространяемый сигнал мог пройти как минимум два узла, сохраняя при этом достаточную амплитуду для запуска потенциала действия во втором или третьем узле. Таким образом, коэффициент безопасности скачкообразной проводимости высок, что позволяет в случае травмы осуществлять передачу в обход узлов. 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. [56]
Некоторые заболевания разрушают миелин и нарушают сальтаторную проводимость, снижая скорость проведения потенциалов действия. [w] Наиболее известным из них является рассеянный склероз , при котором разрушение миелина нарушает координацию движений. [57]
Поток токов внутри аксона можно количественно описать с помощью кабельной теории [58] и ее разработок, таких как компартментальная модель. [59] Теория кабеля была разработана в 1855 году лордом Кельвином для моделирования трансатлантического телеграфного кабеля [x] и ее применимость к нейронам была показана Ходжкиным и Раштоном в 1946 году . [y] В простой теории кабеля нейрон рассматривается как электрически пассивный, идеально цилиндрический кабель передачи, который можно описать уравнением в частных производных [58]
где V ( x , t ) — напряжение на мембране в момент времени t и в позиции x по длине нейрона, и где λ и τ — характерные масштабы длины и времени, в которых эти напряжения затухают в ответ на стимул. . Ссылаясь на принципиальную схему справа, эти масштабы можно определить по сопротивлениям и емкостям на единицу длины. [60]
Эти шкалы времени и длины можно использовать для понимания зависимости скорости проводимости от диаметра нейрона в безмиелиновых волокнах. Например, временной масштаб τ увеличивается как с увеличением сопротивления мембраны r m , так и с увеличением емкости c m . По мере увеличения емкости необходимо передать больше заряда для создания заданного трансмембранного напряжения (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 меньше в одном аксоне, чем в другом (например, из-за того, что радиус первого больше), длина пространственного распада λ становится больше и скорость проводимости потенциала действия должно увеличиться. Если трансмембранное сопротивление r m увеличивается, это снижает средний ток «утечки» через мембрану, что также приводит к увеличению λ , увеличивая скорость проводимости.
В общем, потенциалы действия, достигающие синаптических бугорков, вызывают высвобождение нейромедиатора в синаптическую щель. [z] Нейромедиаторы — это небольшие молекулы, которые могут открывать ионные каналы в постсинаптической клетке; большинство аксонов имеют один и тот же нейромедиатор на всех своих концах. Прибытие потенциала действия открывает потенциал-чувствительные кальциевые каналы в пресинаптической мембране; приток кальция заставляет пузырьки , наполненные нейромедиатором, мигрировать на поверхность клетки и высвобождать свое содержимое в синаптическую щель . [aa] Этот сложный процесс ингибируется нейротоксинами тетаноспазмином и ботулотоксином , которые ответственны за столбняк и ботулизм соответственно. [аб]
Некоторые синапсы обходятся без «посредника» нейромедиатора и соединяют пресинаптические и постсинаптические клетки вместе. [ac] Когда потенциал действия достигает такого синапса, ионные токи, текущие в пресинаптическую клетку, могут пересечь барьер двух клеточных мембран и войти в постсинаптическую клетку через поры, известные как коннексоны . [объявление] Таким образом, ионные токи пресинаптического потенциала действия могут непосредственно стимулировать постсинаптическую клетку. Электрические синапсы обеспечивают более быструю передачу, поскольку они не требуют медленной диффузии нейротрансмиттеров через синаптическую щель. Следовательно, электрические синапсы используются всякий раз, когда решающее значение имеют быстрая реакция и координация времени, например, в рефлексах бегства , сетчатке позвоночных и сердце .
Особым случаем химического синапса является нервно-мышечный переход , в котором аксон мотонейрона заканчивается на мышечном волокне . [ae] В таких случаях высвобождаемым нейротрансмиттером является ацетилхолин , который связывается с рецептором ацетилхолина, интегральным мембранным белком в мембране (сарколемме ) мышечного волокна. [af] Однако ацетилхолин не остается связанным; скорее, он диссоциирует и гидролизуется ферментом ацетилхолинэстеразой , 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 вещества зарин и табун , [аг] и инсектициды диазинон и малатион . [ах]
Сердечный потенциал действия отличается от потенциала действия нейронов наличием расширенного плато, при котором мембрана удерживается под высоким напряжением в течение нескольких сотен миллисекунд, прежде чем она, как обычно, реполяризуется калиевым током. [ai] Это плато возникает из-за более медленного открытия кальциевых каналов и удержания мембранного напряжения вблизи равновесного потенциала даже после инактивации натриевых каналов.
Потенциал действия сердца играет важную роль в координации сокращений сердца. [ai] Сердечные клетки синоатриального узла обеспечивают кардиостимуляторный потенциал , который синхронизирует работу сердца. Потенциалы действия этих клеток распространяются через атриовентрикулярный узел (АВ-узел), который обычно является единственным путем проводимости между предсердиями и желудочками . Потенциалы действия от АВ-узла проходят через пучок Гиса и оттуда к волокнам Пуркинье . [примечание 2] И наоборот, аномалии сердечного потенциала действия — будь то из-за врожденной мутации или травмы — могут привести к патологиям человека, особенно аритмиям . [ai] Некоторые антиаритмические препараты действуют на сердечный потенциал действия, такие как хинидин , лидокаин , бета-блокаторы и верапамил . [ай]
Потенциал действия в нормальной клетке скелетных мышц аналогичен потенциалу действия в нейронах. [61] Потенциалы действия возникают в результате деполяризации клеточной мембраны (сарколеммы ) , которая открывает чувствительные к напряжению натриевые каналы; они инактивируются, и мембрана реполяризуется за счет направленного наружу 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 — примерно 1–3 мс, скорость проводимости по мышце — примерно 5 м/с. Потенциал действия высвобождает ионы кальция , которые высвобождают тропомиозин и позволяют мышцам сокращаться. Мышечные потенциалы действия провоцируются появлением пресинаптического потенциала действия нейронов в нервно-мышечном соединении , которое является общей мишенью для нейротоксинов . [аг]
Клетки растений и грибов [ак] также электрически возбудимы. Принципиальное отличие от потенциалов действия животных состоит в том, что деполяризация в растительных клетках осуществляется не за счет поглощения положительных ионов натрия, а за счет высвобождения отрицательных ионов хлора . [al] [am] [an] В 1906 году Дж. К. Бозе опубликовал первые измерения потенциалов действия у растений, которые ранее были открыты Бердоном-Сандерсоном и Дарвином. [62] Увеличение цитоплазматических ионов кальция может быть причиной выброса анионов в клетку. Это делает кальций предшественником движения ионов, такого как приток отрицательных ионов хлорида и отток положительных ионов калия, как это наблюдается в листьях ячменя. [63]
Первоначальный приток ионов кальция также вызывает небольшую клеточную деполяризацию, вызывая открытие потенциалзависимых ионных каналов и позволяя ионам хлорида распространяться полной деполяризации.
Некоторые растения (например, Dionaea muscipula ) используют натриевые каналы для управления движениями и, по сути, «счета». Dionaea muscipula , также известная как венерина мухоловка, встречается в субтропических водно-болотных угодьях Северной и Южной Каролины. [64] Когда почва бедна питательными веществами, мухоловка питается насекомыми и животными. [65] Несмотря на исследования этого растения, отсутствует понимание молекулярной основы венериных мухоловок и хищных растений в целом. [66]
Тем не менее, было проведено множество исследований потенциалов действия и того, как они влияют на движение и часовой механизм внутри венерианской мухоловки. Начнем с того, что мембранный потенциал покоя венериной мухоловки (-120 мВ) ниже, чем у клеток животных (обычно от -90 мВ до -40 мВ). [66] [67] Более низкий потенциал покоя облегчает активацию потенциала действия. Таким образом, когда насекомое попадает в ловушку растения, оно активирует волосоподобный механорецептор. [66] Затем этот рецептор активирует потенциал действия, который длится около 1,5 мс. [68] 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 волос. [65] [66] Если срабатывает только один волос, активация выдается как ложное срабатывание. Далее второй волос должен быть активирован в течение определенного интервала времени (0,75 с – 40 с), чтобы он зарегистрировался при первой активации. [66] Таким образом, начинается накопление кальция, которое медленно снижается с момента первого триггера. Когда в течение определенного интервала времени активируется второй потенциал действия, он достигает порога кальция и деполяризует клетку, закрывая ловушку для добычи за долю секунды. [66]
Вместе с последующим высвобождением положительных ионов калия потенциал действия у растений включает осмотическую потерю соли (KCl). В то время как потенциал действия животных осмотически нейтрален, поскольку равные количества входящего натрия и выходящего калия осмотически компенсируют друг друга. Взаимодействие электрических и осмотических связей в растительных клетках [ао], по-видимому, возникло из-за осмотической функции электрической возбудимости у общих одноклеточных предков растений и животных в условиях изменяющейся солености. Кроме того, нынешняя функция быстрой передачи сигналов рассматривается как новое достижение клеток многоклеточных животных в более стабильной осмотической среде. [69] Вполне 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, зависят в первую очередь от катионов, не являющихся кальцием. Чтобы инициировать реполяризацию, клетке требуется перемещение калия из клетки посредством пассивного транспорта на мембране. В этом отличие от нейронов, поскольку движение калия не доминирует над снижением мембранного потенциала; Фактически, для полной реполяризации растительной клетке требуется энергия в виде АТФ, которая способствует высвобождению водорода из клетки, используя транспортер, широко известный как H+-АТФаза. [70] [66]
Потенциалы действия обнаруживаются во всех многоклеточных организмах , включая растения , беспозвоночных, таких как насекомые , и позвоночных, таких как рептилии и млекопитающие . [ap] Губки, по-видимому, являются основным типом многоклеточных эукариот , который не передает потенциалы действия, хотя некоторые исследования предполагают, что эти организмы также обладают формой электрической передачи сигналов. [aq] Потенциал покоя, а также размер и продолжительность потенциала действия не сильно изменились в ходе эволюции, хотя скорость проводимости действительно сильно варьируется в зависимости от диаметра аксона и миелинизации.
Учитывая его сохранение на протяжении всей эволюции, потенциал действия, по-видимому, дает эволюционные преимущества. Одной из функций потенциалов действия является 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, попадающая в кровоток, движется в крупных артериях со скоростью примерно 8 м/с. Частью этой функции является тесная координация механических процессов, таких как сокращение сердца. Вторая функция — это вычисления, связанные с ее генерацией. Будучи сигналом «все или ничего», который не затухает с расстоянием передачи, потенциал действия имеет те же преимущества, что и цифровая электроника . Интеграция различных дендритных сигналов на аксонном холмике и их пороговая обработка для формирования сложной последовательности потенциалов действия — это еще одна форма вычислений, которая использовалась биологически для формирования центральных генераторов паттернов и имитировалась в искусственных нейронных сетях .
Считается, что общий предок прокариот/эукариот, живший примерно четыре миллиарда лет назад, имел потенциалзависимые каналы. Эта функциональность, вероятно, в какой-то более поздний момент стала перекрестной для обеспечения механизма связи. Даже современные одноклеточные бактерии могут использовать потенциалы действия для общения с другими бактериями в той же биопленке. [72]
Изучение потенциалов действия потребовало разработки новых экспериментальных методов. Первоначальная работа, до 1955 года, была выполнена в основном Аланом Ллойдом Ходжкиным и Эндрю Филдингом Хаксли , которые вместе с Джоном Кэрью Экклсом были удостоены Нобелевской премии 1963 года по физиологии и медицине за вклад в описание ионной основы нервов. проводимость. Он сосредоточился на трех целях: изоляции сигналов от отдельных нейронов или аксонов, разработке быстрой и чувствительной электроники и уменьшении электродов настолько, чтобы можно было записать напряжение внутри одной клетки.
Первая проблема была решена путем изучения гигантских аксонов , обнаруженных в нейронах кальмара ( Loligo forbesii и Doryteuthis pealeii , в то время классифицировавшихся как Loligo pealeii ). [ar] Эти аксоны настолько велики в диаметре (примерно 1 мм, что в 100 раз больше, чем у типичного нейрона), что их можно увидеть невооруженным глазом, что позволяет легко их извлекать и манипулировать ими. [i] [as] Однако они не являются репрезентативными для всех возбудимых клеток, и были изучены многочисленные другие системы с потенциалами действия.
Вторая проблема была решена с помощью решающей разработки фиксатора напряжения , [at] , 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. [74] Поскольку ток равен C , умноженному на скорость изменения трансмембранного напряжения V m , решением было разработать схему, которая поддерживала бы V m фиксированным (нулевая скорость изменения) независимо от токов, протекающих через мембрану. Таким образом, ток, необходимый для поддержания фиксированного 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. [75]
Третья проблема — получение электродов, достаточно маленьких для регистрации напряжения внутри одного аксона, не нарушая его, — была решена в 1949 году с изобретением стеклянного электрода-микропипетки [au] , который был быстро принят на вооружение другими исследователями. [av] [aw] Усовершенствования этого метода позволяют производить наконечники электродов толщиной до 100 Å (10 нм ), что также обеспечивает высокий входной импеданс. [76] Потенциалы действия также могут быть записаны с помощью небольших металлических электродов, расположенных рядом с нейроном, с помощью нейрочипов , содержащих EOSFET , или оптически с помощью красителей, чувствительных к Ca 2+ или к напряжению. [топор]
В то время как стеклянные электроды-микропипетки измеряют сумму токов, проходящих через множество ионных каналов, изучение электрических свойств одного ионного канала стало возможным в 1970-х годах с разработкой патч- зажима Эрвином Неером и Бертом Сакманном . За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1991 году . [нижний греческий 3] Зажатие патчей подтвердило, что ионные каналы имеют дискретные состояния проводимости, такие как открытое, закрытое и инактивированное.
В последние годы были разработаны технологии оптической визуализации для измерения потенциалов действия либо посредством одновременной многозонной записи, либо с ультрапространственным разрешением. С помощью чувствительных к напряжению красителей оптически зарегистрировали потенциалы действия на крошечном участке мембраны кардиомиоцитов . [ай]
Некоторые нейротоксины , как природные, так и синтетические, предназначены для блокирования потенциала действия. Тетродотоксин из рыбы-фугу и сакситоксин из Gonyaulax ( род динофлагеллят , ответственный за « красные приливы ») блокируют потенциалы действия, ингибируя потенциал-чувствительный натриевый канал; [az] Аналогичным образом, дендротоксин черной змеи мамбы ингибирует чувствительный к напряжению калиевый канал. Такие ингибиторы ионных каналов служат важной исследовательской цели, позволяя ученым «отключать» определенные каналы по своему желанию, изолируя таким образом вклад других каналов; они также могут быть полезны при очистке ионных каналов с помощью аффинной хроматографии или при определении их концентрации. Однако такие ингибиторы также создают эффективные нейротоксины и рассматривались для использования в качестве химического оружия . Нейротоксины, направленные 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 настолько отличаются от своих аналогов у человека, что у человека возникает мало побочных эффектов.
Роль электричества в нервной системе животных впервые наблюдал у рассеченных лягушек Луиджи Гальвани , который изучал ее с 1791 по 1797 год . [ba] Результаты Гальвани вдохновили Алессандро Вольту на разработку Вольтова батареи — самой ранней из известных электрических батарей — с где он изучал электричество животных (например, электрических угрей ) и физиологические реакции на приложенное напряжение постоянного тока . [бб]
В 19 веке ученые изучали распространение электрических сигналов в целых нервах (т. е. пучках нейронов ) и продемонстрировали, что нервная ткань состоит из клеток , а не из взаимосвязанной сети трубок ( сеточки ). [77] Карло Маттеуччи продолжил исследования Гальвани и продемонстрировал, что поврежденные нервы и мышцы лягушек могут производить постоянный ток . Работа Маттеуччи вдохновила немецкого физиолога Эмиля дю Буа-Реймона , который в 1843 году обнаружил, что стимуляция этих мышечных и нервных препаратов приводит к заметному уменьшению их токов покоя, что сделало его первым исследователем, определившим электрическую природу потенциала действия. [78] Скорость проводимости потенциалов действия была затем измерена в 1850 году другом Дюбуа-Реймона, Германом фон Гельмгольцем . [79] После этого прогресс в электрофизиологии застопорился из-за ограничений химической теории и экспериментальной практики. Чтобы установить, что нервная ткань состоит из отдельных клеток, испанский врач Сантьяго Рамон-и-Кахаль и его ученики использовали краску, разработанную Камилло Гольджи , чтобы выявить бесчисленные формы нейронов, которые они кропотливо воспроизвели. За свои открытия Гольджи и Рамон-и-Кахаль были удостоены Нобелевской премии по физиологии 1906 года . [нижний греческий 4] Их работа разрешила давний спор в нейроанатомии 19 века; Сам Гольджи выступал за сетевую модель нервной системы.
В XX веке произошел значительный прорыв в электрофизиологии. В 1902 и 1912 годах Юлиус Бернштейн выдвинул гипотезу о том, что потенциал действия возникает в результате изменения проницаемости аксональной мембраны для ионов. [bc] [80] Гипотеза Бернштейна была подтверждена Кеном Коулом и Говардом Кертисом, которые показали, что проводимость мембраны увеличивается во время потенциала действия. [bd] В 1907 году Луи Лапик предположил, что потенциал действия генерируется при пересечении порога, [быть] тем, что позже будет показано как продукт динамических систем ионной проводимости. 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 натриевой проницаемости для потенциала действия. [bf] Они сделали первую фактическую запись электрических изменений в мембране нейрона, которые опосредуют потенциал действия. [нижний греческий 5] Кульминацией этого направления исследований стали пять статей 1952 года Ходжкина, Каца и Эндрю Хаксли , 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. [i] Ходжкин и Хаксли соотнесли свойства своей математической модели с дискретными ионными каналами , которые могли существовать в нескольких различных состояниях, включая «открытое», «закрытое» и «инактивированное». Их гипотезы были подтверждены в середине 1970-х и 1980-х годах Эрвином Неером и Бертом Сакманном , которые разработали технику фиксации патчей для изучения состояний проводимости отдельных ионных каналов. [bg] В 21 веке исследователи начинают понимать структурную основу этих состояний проводимости и селективности каналов для своих видов ионов, [bh] через кристаллические структуры с атомным разрешением , [bi] измерения расстояния флуоресценции [bg ] bj] и криоэлектронно-микроскопические исследования. [бк]
Юлиус Бернштейн был также первым, кто ввел уравнение Нернста для потенциала покоя на мембране; это было обобщено Дэвидом Э. Гольдманом на одноименное уравнение Гольдмана в 1943 году. [h] Натриево -калиевый насос был идентифицирован в 1957 году [bl] [нижний греческий 6], и его свойства постепенно выяснились, [bm] [bn] [ bo] , кульминацией которого стало определение его структуры с атомным разрешением методом рентгеновской кристаллографии . [bp] Кристаллические структуры родственных ионных насосов также были решены, что дает более широкое представление о том, как работают эти молекулярные машины . [бк]
Математические и вычислительные модели необходимы для понимания потенциала действия и предлагают прогнозы, которые можно проверить на экспериментальных данных, обеспечивая строгую проверку теории. Наиболее важной и точной из ранних нейронных моделей является модель Ходжкина-Хаксли , которая описывает потенциал действия с помощью связанного набора четырех обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). [i] Хотя модель Ходжкина-Хаксли может быть упрощением с небольшими ограничениями [81] по сравнению с реалистичной нервной мембраной, существующей в природе, ее сложность вдохновила на создание нескольких еще более упрощенных моделей, [82] [br] таких как модель Морриса-Лекара [bs] и модель ФитцХью-Нагумо , [bt] обе из которых имеют только два связанных ОДУ. Свойства моделей Ходжкина-Хаксли и ФитцХью-Нагумо и их родственников, таких как модель Бонхеффера-Ван дер Поля, [bu] хорошо изучены в математике, [83] [bv] вычислениях [84] и электронике. [bw] Однако простые модели генераторного потенциала и потенциала действия не могут точно воспроизвести частоту и форму нервных спайков вблизи порога, особенно для механорецепторов, таких как тельца Пачини . [85] Более современные исследования сосредоточены на более крупных и интегрированных системах; объединяя модели потенциала действия с моделями других частей нервной системы (такими как дендриты и синапсы), исследователи могут изучать нейронные вычисления [86] и простые рефлексы , такие как рефлексы бегства и другие, контролируемые центральными генераторами паттернов . [87] [бх]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь ){{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )