В электрофизиологии пороговый потенциал — это критический уровень, до которого должен быть деполяризован мембранный потенциал , чтобы инициировать потенциал действия . В нейробиологии пороговые потенциалы необходимы для регулирования и распространения сигналов как в центральной нервной системе (ЦНС), так и в периферической нервной системе (ПНС).
Чаще всего пороговый потенциал представляет собой значение мембранного потенциала между –50 и –55 мВ [1] , но может варьироваться в зависимости от нескольких факторов. Мембранный потенциал покоя нейрона (–70 мВ) можно изменить, чтобы увеличить или уменьшить вероятность достижения порога с помощью ионов натрия и калия . Приток натрия в клетку через открытые потенциалзависимые натриевые каналы может деполяризовать мембрану выше порогового значения и, таким образом, возбуждать ее, в то время как отток калия или приток хлорида могут гиперполяризовать клетку и, таким образом, препятствовать достижению порогового значения.
Первоначальные эксперименты вращались вокруг концепции, согласно которой любые электрические изменения, происходящие в нейронах, должны происходить под действием ионов. Немецкий физико-химик Вальтер Нернст применил эту концепцию в экспериментах по обнаружению нервной возбудимости и пришел к выводу, что местный процесс возбуждения через полупроницаемую мембрану зависит от концентрации ионов. Также было показано, что концентрация ионов является лимитирующим фактором возбуждения. Если бы была достигнута необходимая концентрация ионов, возбуждение обязательно произошло бы. [2] Это послужило основой для определения порогового значения.
Наряду с реконструкцией потенциала действия в 1950-х годах Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли также смогли экспериментально определить механизм порога возбуждения. Она известна как модель Ходжкина-Хаксли . Используя методы фиксации напряжения на аксоне гигантского кальмара, они обнаружили, что в возбудимых тканях обычно наблюдается явление, заключающееся в том, что для запуска потенциала действия необходимо достичь определенного мембранного потенциала. Поскольку эксперимент дал результаты путем наблюдения за изменениями ионной проводимости, Ходжкин и Хаксли использовали эти термины для обсуждения порогового потенциала. Первоначально они предположили, что проводимость натрия или калия должна быть неоднородной, но на самом деле обе проводимости имели тенденцию плавно изменяться вместе с мембранным потенциалом. [3]
Вскоре они обнаружили, что при пороговом потенциале входящий и внешний токи ионов натрия и калия соответственно были точно равны и противоположны. В отличие от мембранного потенциала покоя , условия порогового потенциала демонстрировали нестабильный баланс токов. Нестабильность относится к тому факту, что любая дальнейшая деполяризация активирует еще больше потенциалзависимых натриевых каналов, и входящий деполяризующий ток натрия преодолевает задержанный внешний ток калия. [4] С другой стороны, на уровне покоя токи калия и натрия стабильно равны и противоположны, поэтому внезапный непрерывный поток ионов не должен возникать. В основе лежит то, что на определенном уровне деполяризации, когда токи равны и противоположны друг другу нестабильным образом, любое дальнейшее проникновение положительного заряда генерирует потенциал действия. Это конкретное значение деполяризации (в мВ) иначе известно как пороговый потенциал.
Пороговое значение контролирует, достаточны ли входящие стимулы для генерации потенциала действия. Он опирается на баланс поступающих тормозящих и возбуждающих стимулов. Потенциалы, генерируемые стимулами, аддитивны и могут достигать порога в зависимости от их частоты и амплитуды. Нормальное функционирование центральной нервной системы влечет за собой суммирование синаптических входов, поступающих в основном в дендритное дерево нейрона. Эти локальные градуированные потенциалы, связанные в первую очередь с внешними стимулами, достигают начального сегмента аксона и нарастают, пока не достигнут порогового значения. [5] Чем сильнее стимул, тем больше деполяризация или попытка достичь порога. Задача деполяризации требует нескольких ключевых шагов, которые зависят от анатомических факторов клетки. Задействованная ионная проводимость зависит от мембранного потенциала, а также времени после изменения мембранного потенциала. [6]
Фосфолипидный бислой клеточной мембраны сам по себе обладает высокой непроницаемостью для ионов. Полная структура клеточной мембраны включает множество белков, которые встроены в липидный бислой или полностью пересекают его. Некоторые из этих белков обеспечивают высокоспецифичное прохождение ионов, ионные каналы . Каналы утечки калия позволяют калию течь через мембрану в ответ на несоответствие концентраций калия внутри (высокая концентрация) и снаружи клетки (низкая). Потеря положительных (+) зарядов ионов калия (К+) изнутри клетки приводит к образованию там отрицательного потенциала по сравнению с внеклеточной поверхностью мембраны. [7] Гораздо меньшая «утечка» натрия (Na+) в клетку приводит к тому, что фактический потенциал покоя, около –70 мВ, оказывается менее отрицательным, чем расчетный потенциал для одного K+, равновесный потенциал, около –90 мВ. [7] Натрий -калиевая АТФаза является активным переносчиком внутри мембраны, который перекачивает калий (2 иона) обратно в клетку и натрий (3 иона) из клетки, поддерживая концентрации обоих ионов, а также сохраняя поляризацию напряжения. .
Однако как только стимул активирует потенциалзависимые натриевые каналы и открывает их, положительные ионы натрия наводняют клетку, и напряжение увеличивается. Этот процесс также может быть инициирован связыванием лиганда или нейромедиатора с лиганд-управляемым каналом . Больше натрия находится снаружи клетки, чем внутри, а положительный заряд внутри клетки способствует оттоку ионов калия через потенциалзависимые калиевые каналы замедленного выпрямления. Поскольку калиевые каналы внутри клеточной мембраны задерживаются, любое дальнейшее поступление натрия активирует все больше и больше потенциалзависимых натриевых каналов. Деполяризация выше порога приводит к увеличению проводимости Na, достаточному для того, чтобы движение натрия внутрь немедленно подавляло движение калия наружу. [3] Если приток ионов натрия не достигает порогового значения, то проводимость натрия не увеличивается настолько, чтобы перекрыть проводимость калия в состоянии покоя. В этом случае в некоторых типах нейронов наблюдаются подпороговые колебания мембранного потенциала . В случае успеха внезапный приток положительного заряда деполяризует мембрану, и калий задерживается в восстановлении или гиперполяризации клетки. Приток натрия деполяризует клетку, пытаясь установить собственный равновесный потенциал (около +52 мВ), чтобы сделать внутреннюю часть клетки более положительной по сравнению с внешней.
Значение порога может варьироваться в зависимости от множества факторов. Изменения ионной проводимости натрия или калия могут привести как к повышению, так и к понижению значения порога. Кроме того, на пороговое значение влияют диаметр аксона, плотность натриевых каналов, активируемых напряжением, и свойства натриевых каналов внутри аксона. [8] Обычно в аксоне или дендрите присутствуют небольшие деполяризующие или гиперполяризующие сигналы, возникающие в результате предшествующего стимула. Пассивное распространение этих сигналов зависит от пассивных электрических свойств клетки. Сигналы могут продолжаться по нейрону, вызывая потенциал действия дальше, только в том случае, если они достаточно сильны, чтобы преодолеть сопротивление и емкость мембраны клетки. Например, нейрон большого диаметра имеет в своей мембране больше ионных каналов, чем клетка меньшего размера, что приводит к меньшему сопротивлению потоку ионного тока. Ток распространяется быстрее в клетке с меньшим сопротивлением и с большей вероятностью достигнет порога в других частях нейрона. [3]
Экспериментально также было показано, что пороговый потенциал адаптируется к медленным изменениям входных характеристик путем регулирования плотности натриевых каналов, а также инактивации этих натриевых каналов в целом. Гиперполяризация калиевых каналов замедленного выпрямления вызывает относительный рефрактерный период , что значительно затрудняет достижение порога. Калиевые каналы замедленного выпрямления отвечают за позднюю внешнюю фазу потенциала действия, где они открываются при раздражителе другого напряжения по сравнению с быстро активируемыми натриевыми каналами. Они исправляют или восстанавливают баланс ионов через мембрану, открывая и позволяя калию течь по градиенту концентрации изнутри наружу клетки. Они также закрываются медленно, в результате чего наружу выбрасывается положительный заряд, превышающий необходимый баланс. Это приводит к избыточной негативности в клетке, что требует чрезвычайно сильного стимула и, как следствие, деполяризации, чтобы вызвать ответ.
Методы отслеживания порога проверяют возбудимость нервов и зависят от свойств аксональных мембран и мест стимуляции. Они чрезвычайно чувствительны к мембранному потенциалу и изменениям этого потенциала. Эти тесты могут измерять и сравнивать порог управления (или порог покоя) с порогом, вызванным изменением окружающей среды, предшествующим одиночным импульсом, последовательностью импульсов или подпороговым током. [9] Измерение изменений порога может указывать на изменения мембранного потенциала, свойств аксонов и/или целостности миелиновой оболочки .
Отслеживание порога позволяет регулировать силу тестового стимула с помощью компьютера, чтобы активировать определенную долю максимального нервного или мышечного потенциала. Эксперимент по отслеживанию порога состоит в том, что к нерву через равные промежутки времени прикладывают стимул длительностью 1 мс. [10] Потенциал действия регистрируется после пускового импульса. Стимул автоматически уменьшается с шагом заданного процента до тех пор, пока реакция не упадет ниже целевого (генерация потенциала действия). После этого стимул увеличивается или уменьшается в зависимости от того, была ли предыдущая реакция меньше или больше целевой реакции, пока не будет установлен порог покоя (или контроля). Возбудимость нерва затем можно изменить, изменив нервную среду или применив дополнительные токи. Поскольку значение одного порогового тока дает мало ценной информации, поскольку оно варьируется внутри и между субъектами, более полезны пары измерений порога, сравнение порога контроля с порогами, создаваемыми рефрактерностью, сверхнормальностью, постоянной времени силы-длительности или «пороговым электротонусом». в научных и клинических исследованиях. [11]
Порог отслеживания имеет преимущества перед другими электрофизиологическими методами, такими как метод постоянного стимула. Этот метод может отслеживать изменения порогов в динамическом диапазоне 200% и в целом дает больше информации о свойствах аксонов, чем другие тесты. [12] Кроме того, этот метод позволяет придать изменениям порога количественное значение, которое при математическом преобразовании в процентное соотношение можно использовать для сравнения препаратов с одним и несколькими волокнами, различных участков нейронов и возбудимости нервов у разных видов. [12]
Конкретным методом отслеживания порога является пороговый электротонус , который использует установку отслеживания порога для создания длительных подпороговых деполяризующих или гиперполяризующих токов внутри мембраны. Изменения возбудимости клеток можно наблюдать и фиксировать, создавая эти длительные токи. Снижение порога очевидно при обширной деполяризации, а повышение порога — при обширной гиперполяризации. При гиперполяризации происходит увеличение сопротивления межузловой мембраны за счет закрытия калиевых каналов, и образующийся участок «вееруется». Деполяризация оказывает противоположный эффект, активируя калиевые каналы, создавая участок, который «раскручивается». [13]
Наиболее важным фактором, определяющим пороговый электротонус, является мембранный потенциал, поэтому пороговый электротонус также можно использовать как показатель мембранного потенциала. Кроме того, его можно использовать для определения характеристик серьезных заболеваний путем сравнения влияния этих состояний на пороговый потенциал с эффектами, наблюдаемыми экспериментально. Например, ишемия и деполяризация вызывают одинаковый эффект «раздувания» волн электротонуса. Это наблюдение позволяет сделать вывод, что ишемия может возникнуть в результате чрезмерной активации калиевых каналов. [14]
Роль порогового потенциала проявляется в клиническом контексте, а именно в функционировании самой нервной системы, а также сердечно-сосудистой системы.
Фебрильные судороги , или «лихорадочные приступы», представляют собой судороги, связанные со значительным повышением температуры тела , возникающие чаще всего в раннем детстве. Повторные эпизоды фебрильных судорог в детстве связаны с повышенным риском развития височной эпилепсии во взрослом возрасте. [15]
При записи с помощью патч-клампа аналогичное состояние было воспроизведено in vitro в кортикальных нейронах крыс после индукции фебрильной температуры тела; наблюдалось заметное снижение порогового потенциала. Механизм этого снижения, возможно, включает подавление торможения, опосредованного рецептором ГАМК В , при чрезмерном тепловом воздействии. [15]
Нарушения возбудимости нейронов отмечаются у больных боковым амиотрофическим склерозом и диабетом . Хотя механизм, в конечном итоге ответственный за дисперсию, различается в этих двух состояниях, тесты на реакцию на ишемию, по иронии судьбы, указывают на аналогичную устойчивость к ишемии и возникающим в результате парестезиям. Поскольку ишемия возникает вследствие ингибирования натрий-калиевого насоса, это приводит к нарушениям порогового потенциала. [12]
С 1940-х годов утвердилась концепция диастолической деполяризации, или «кардиостимуляторного потенциала»; этот механизм является характерной особенностью сердечной ткани. [16] Когда порог достигается и возникает потенциал действия, в результате взаимодействия возникает сердцебиение; однако, когда сердцебиение происходит нерегулярно, может возникнуть потенциально серьезное состояние, известное как аритмия .
Различные лекарства могут вызывать удлинение интервала QT как побочный эффект. Удлинение этого интервала является результатом задержки инактивации натриевых и кальциевых каналов; без надлежащей инактивации канала пороговый потенциал достигается преждевременно, что приводит к аритмии. [17] Эти препараты, известные как проаритмические средства, включают противомикробные препараты, нейролептики, метадон и, по иронии судьбы, антиаритмические средства . [18] Использование таких агентов особенно часто встречается в отделениях интенсивной терапии, и особую осторожность необходимо проявлять при удлинении интервала QT у таких пациентов: аритмии в результате удлинения интервала QT включают потенциально фатальную torsades de pointes , или TdP. [17]
Диета может быть фактором риска аритмии. Полиненасыщенные жирные кислоты , содержащиеся в рыбьем жире и некоторых растительных маслах [19] , играют роль в профилактике аритмий. [20] Подавляя зависящий от напряжения натриевый ток, эти масла сдвигают пороговый потенциал к более положительному значению; следовательно, потенциал действия требует повышенной деполяризации. [20] Клиническое терапевтическое использование этих экстрактов остается предметом исследований, но установлена сильная корреляция между регулярным употреблением рыбьего жира и меньшей частотой госпитализаций по поводу фибрилляции предсердий, тяжелой и все более распространенной аритмии. [21]