Нейрон қарым-қатынасы: Электр импульстары

Нейрондардың электр импульстары арқылы қарым-қатынасы. Әрекеттік потенциал – жасуша мембранасының күрт өзгеруі, сигналдарды тарату механизмі. Нейробиология.

33 мин оқу

100%

Дереккөз: Action potential — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Нейронның электр импульстері арқылы байланысы

Белгілі бір жасушаның мембраналық потенциалы тез көтеріліп, төмендеген кезде әрекет потенциалы пайда болады. Бұл деполяризация көршілес аймақтардың да деполяризациялануына себеп болады. Әрекет потенциалдары жануарлар жасушаларының бірнеше түрінде, қоздырғыш жасушалар деп аталатындарда кездеседі, оларға нейрондар, бұлшықет жасушалары және кейбір өсімдік жасушалары жатады. Белгілі бір эндокриндік жасушалар, мысалы, бүйрекше безінің бета жасушалары және алдыңғы гипофиз безінің кейбір жасушалары да қоздырғыш жасушалар болып табылады. Нейрондарда әрекет потенциалдары жасушалар арасындағы байланыста орталық рөл атқарады, сигналдарды нейрон аксоны бойымен, аксон ұштарында орналасқан синаптық түйіндерге тарату арқылы (сольторлық өткізгіштің көмегімен) қамтамасыз етеді; бұл сигналдар басқа нейрондармен синапстарда немесе қозғалтқыш жасушалармен немесе бездермен байланыса алады. Басқа жасуша түрлерінде олардың негізгі функциясы ішкі жасушалық процестерді белсендіру болып табылады. Мысалы, бұлшықет жасушаларында әрекет потенциалы – жиырылуға әкелетін оқиғалар тізбегіндегі алғашқы қадам. Бүйрекше безінің бета жасушаларында олар инсулиннің бөлінуін шақырады. Нейрондардағы әрекет потенциалдары "жүйке импульстері" немесе "толқындар" деп те аталады, ал нейрон тудырған әрекет потенциалдарының уақыт бойынша тізбегі оның "толқын тізбегі" деп аталады. Әрекет потенциалын немесе жүйке импульсін тудыратын нейрон көбінесе "оянған" деп айтылады. Әрекет потенциалдары жасушаның плазмалық мембранасына енген, кернеуге сезімтал иондық каналдардың арнайы түрлері арқылы пайда болады. Бұл каналдар мембраналық потенциал жасушаның (теріс) тынығу потенциалына жақын болғанда жабық күйде болады, бірақ мембраналық потенциал дәл анықталған шекті кернеуге жеткенде тез ашыла бастайды, бұл трансмембраналық потенциалды деполяризациялайды.

Шолу

Жануарлар, өсімдіктер және саңырауқұлақтардағы жасушалық мембраналардың көбі жасушаның сырты мен іші арасындағы кернеу айырмашылығын сақтайды, бұл мембраналық потенциал деп аталады. Жануар жасушасының мембранасындағы әдеттегі кернеу -70 мВ құрайды. Бұл жасуша ішіндегі кернеу сыртқы кернеуге қарағанда теріс екенін білдіреді. Көптеген жасуша түрлерінде мембраналық потенциал көбінесе тұрақты болады. Дегенмен, кейбір жасуша түрлері электрлік белсенді болып табылады, яғни олардың кернеуі уақыт өте келе өзгереді. Электрлік белсенді жасушалардың кейбір түрлерінде, оның ішінде нейрондар мен бұлшықет жасушаларында кернеудің өзгеруі көбінесе тез жоғары (оң) өрбумен және одан кейін тез төмендеумен сипатталады. Бұл жоғары және төмен циклдер әрекеттік потенциалдар деп аталады. Кейбір нейрондарда толық цикл бірнеше мыңнан бір секундтың ішінде жүреді. Бұлшықет жасушаларында әдеттегі әрекеттік потенциал шамамен секундының бесінен бір бөлігіне созылады. Өсімдік жасушаларында әрекеттік потенциал үш секунд немесе одан да ұзаққа созылуы мүмкін. Жасушаның электрлік қасиеттері оның мембранасының құрылымымен анықталады. Жасуша мембранасы молекулалардың липидтік екі қабатынан тұрады, оның ішінде ірі ақуыз молекулалары орналасқан. Липидтік екі қабат электр зарядталған иондардың қозғалысына жоғары қарсылық көрсетеді, сондықтан ол оқшаулағыш ретінде жұмыс істейді. Ал мембранаға енген ірі ақуыздар иондардың мембрана арқылы өтуіне арналар ұсынып, өткізгіштік қамтамасыз етеді. Әрекеттік потенциалдарды арналық ақуыздар басқарады, олардың жағдайы жасушаның ішкі және сыртқы бөліктері арасындағы кернеу айырмашылығына байланысты жабық және ашық күйлер арасында ауысады. Бұл кернеуге сезімтал ақуыздар кернеуге бағыналған иондық арналар деп аталады.

Нейронның қалыпты процестері

Жануарлар ағзасының барлық жасушалары электрлік поляризацияға ие, яғни жасушаның плазмалық мембранасында мембраналық потенциал деп аталатын кернеу айырмашылығы сақталады. Бұл электрлік поляризация иондық сорғылар (ионды насостар) мен иондық каналдар деп аталатын мембранаға енген ақуыздық құрылымдардың күрделі өзара әрекеттесуінің нәтижесінде пайда болады. Нейрондарда мембранадағы иондық каналдардың түрлері жасушаның әртүрлі бөліктеріне қарай өзгереді, бұл дендриттерге, аксонға және жасуша денесіне әртүрлі электрлік қасиеттер береді. Соның салдарынан, нейронның мембранасының кейбір бөліктері қозғыш (әрекет потенциалын тудыруға қабілетті), ал басқалары – емес болуы мүмкін. Жақындағы зерттеулер нейронның ең қозғыш бөлігі – аксон төбесінен (аксонның жасуша денесінен шығатын жер) кейінгі бөлігі екенін көрсетті, бұл аксонның бастапқы сегменті деп аталады, бірақ аксон мен жасуша денесі де көп жағдайда қозғыш болады. Әрбір қозғыш мембраналық учаскеде мембраналық потенциалдың екі маңызды деңгейі бар: тынығу потенциалы, яғни жасушаға ешқандай бөгет келтірмеген кезде мембраналық потенциал сақтайтын мәні, және шектік потенциал деп аталатын жоғары мәні. Типтік нейронның аксон төбесінде тынығу потенциалы шамамен –70 милливольт (мВ) және шектік потенциалы шамамен –55 мВ құрайды. Нейронға синапстық сигналдар келгенде мембрана деполяризацияланады немесе гиперполяризацияланады, яғни мембраналық потенциал көтеріледі немесе төмендейді. Мембраналық потенциалды шекке жеткізу үшін жеткілікті деполяризация жиналғанда әрекет потенциалы туындайды. Әрекет потенциалы туындағанда мембраналық потенциал күрт жоғары көтеріліп, содан кейін дәл солай күрт төмендейді, көбінесе тынығу деңгейінен төмен түсіп, ол белгілі бір уақытқа сонда қалады. Әрекет потенциалының пішіні стереотипті, яғни көтерілу мен түсу әдетте белгілі бір жасушадағы барлық әрекет потенциалдары үшін шамамен бірдей амплитуда мен уақытша динамикаға ие. (Ерекшеліктер мақалада кейінірек талқыланады). Көптеген нейрондарда бүкіл процесс шамамен секундының мыңнан бір бөлігінде жүзеге асырылады. Көптеген нейрон түрлері әр секундқа 10–100 жиілікпен үнемі әрекет потенциалын шығарады. Дегенмен, кейбір түрлері тыныш болып келеді және бірнеше минут немесе одан да ұзақ уақыт бойы ешқандай әрекет потенциалын шығармайды.

All cells in animal body tissues are electrically polarized – in other words, they maintain a voltage difference across the cell's plasma membrane, known as the membrane potential. This electrical polarization results from a complex interplay between protein structures embedded in the membrane called ion pumps and ion channels. In neurons, the types of ion channels in the membrane usually vary across different parts of the cell, giving the dendrites, axon, and cell body different electrical properties. As a result, some parts of the membrane of a neuron may be excitable (capable of generating action potentials), whereas others are not. Recent studies have shown that the most excitable part of a neuron is the part after the axon hillock (the point where the axon leaves the cell body), which is called the axonal initial segment, but the axon and cell body are also excitable in most cases. Each excitable patch of membrane has two important levels of membrane potential: the resting potential, which is the value the membrane potential maintains as long as nothing perturbs the cell, and a higher value called the threshold potential. At the axon hillock of a typical neuron, the resting potential is around –70 millivolts (mV) and the threshold potential is around –55 mV. Synaptic inputs to a neuron cause the membrane to depolarize or hyperpolarize; that is, they cause the membrane potential to rise or fall. Action potentials are triggered when enough depolarization accumulates to bring the membrane potential up to threshold. When an action potential is triggered, the membrane potential abruptly shoots upward and then equally abruptly shoots back downward, often ending below the resting level, where it remains for some period of time. The shape of the action potential is stereotyped; this means that the rise and fall usually have approximately the same amplitude and time course for all action potentials in a given cell. (Exceptions are discussed later in the article). In most neurons, the entire process takes place in about a thousandth of a second. Many types of neurons emit action potentials constantly at rates of up to 10–100 per second. However, some types are much quieter, and may go for minutes or longer without emitting any action potentials.

Биофизикалық негіз

Әрекеттік потенциалдар жасуша мембранасындағы кернеуге тәуелді иондық арналардың ерекше түрлерінің болуынан туындайды. Кернеуге тәуелді иондық арна – үш негізгі қасиеті бар трансмембраналық ақуыз: ол бірнеше конформацияны қабылдауға қабілетті. Конформациялардың кемінде бірі мембрана арқылы белгілі бір ион түрлеріне өткізгіш арнаны құрайды. Конформациялар арасындағы ауысу мембраналық потенциалдың әсеріне байланысты. Осылайша, кернеуге тәуелді иондық арна мембраналық потенциалдың кейбір мәндерінде ашық, ал басқаларында жабық болады. Дегенмен, көп жағдайда мембраналық потенциал мен арнаның күйі арасындағы байланыс ықтималдық сипатта болады және уақыт кешігуін қамтиды. Иондық арналар конформациялар арасында күтпеген уақытта ауысады: мембраналық потенциал ауысу жылдамдығын және әрбір ауысу түрінің бірлік уақыттағы ықтималдығын анықтайды. Кернеуге тәуелді иондық арналар оң кері байланыс циклдарын тудыра алатындықтан әрекеттік потенциалды құруға қабілетті: мембраналық потенциал иондық арналардың күйін бақылайды, бірақ иондық арналардың күйі мембраналық потенциалды бақылайды. Осылайша, кейбір жағдайларда мембраналық потенциалдың жоғарылауы иондық арналардың ашылуына, соның салдарынан мембраналық потенциалдың одан әрі жоғарылауына әкелуі мүмкін. Әрекеттік потенциал осы оң кері байланыс циклы (Ходжкин циклы) жарылыс сипатта жүргенде пайда болады. Әрекеттік потенциалдың уақыт және амплитуда траекториясы оны құрайтын кернеуге тәуелді иондық арналардың биофизикалық қасиеттерімен анықталады. Іс-қимыл потенциалын қалыптастыру үшін қажетті оң кері байланысты тудыратын бірнеше арналар бар. Кернеуге тәуелді натрий арналары жүйке өткізгішіндегі жылдам әрекеттік потенциал үшін жауапты. Бұлшықет жасушалары мен кейбір нейрон түрлеріндегі баяу әрекеттік потенциалдар кернеуге тәуелді кальций арналары арқылы пайда болады. Бұл типтердің әрқайсысы әртүрлі кернеу сезімталдығымен және әртүрлі уақыт динамикасымен бірнеше нұсқада келеді. Кернеуге тәуелді иондық арналардың ең көп зерттелген түрі – жылдам жүйке өткізгішінде қатысатын натрий арналары. Бұлар кейде Алан Ходжкин мен Эндрю Хакслидің Нобель сыйлығын алған әрекеттік потенциалдың биофизикасы зерттеулерінде алғаш сипатталғандықтан Ходжкин-Хаксли натрий арналары деп аталады, бірақ оларды NaV арналары деп атау ыңғайлырақ. ("V" – "кернеу" дегенді білдіреді). NaV арнасы үш мүмкін күйде болады: деактивтендірілген, белсенді және инактивацияланған. Арна тек белсенді күйде болғанда ғана натрий иондарына өткізгіш болады. Мембраналық потенциал төмен болған кезде арна уақытының көп бөлігін деактивтендірілген (жабық) күйде өткізеді. Егер мембраналық потенциал белгілі бір деңгейден жоғарыласа, арнаның белсенді (ашық) күйге өту ықтималдығы артады. Мембраналық потенциал неғұрлым жоғары болса, белсендіру ықтималдығы соғұрлым жоғары болады. Арна белсендірілгеннен кейін ол ақырында инактивацияланған (жабық) күйге ауысады. Ол кейбір уақыт бойы инактивацияланған күйде қалады, бірақ егер мембраналық потенциал қайтадан төмендесе, арна ақырында деактивтендірілген күйге қайта оралады. Әрекеттік потенциал кезінде осы типтегі арналардың көпшілігі деактивтендірілді → белсенді → инактивацияланды → деактивтендірілді циклынан өтеді. Бұл тек популяцияның орташа мінез-құлқы, алайда жеке арна кез келген уақытта кез келген ауысуды жасауға қабілетті. Дегенмен, арнаның инактивацияланған күйден тікелей белсенді күйге өту ықтималдығы өте төмен: инактивацияланған күйдегі арна деактивтендірілген күйге қайта оралғанша рефрактерлі болады. Мұның барлығы NaV арналарының кинетикасы күрделі түрде кернеуге тәуелді жылдамдықтары бар өтпелі матрицамен реттеледі. Осы арналардың өзі кернеуді анықтауда маңызды рөл атқаратындықтан, жүйенің жалпы динамикасын анықтау өте қиын болуы мүмкін. Ходжкин мен Хаксли иондық арна күйін басқаратын параметрлер үшін дифференциалдық теңдеулер жиынтығын жасау арқылы мәселеге жақындады, олар Ходжкин-Хаксли теңдеулері деп аталады. Бұл теңдеулер кейінгі зерттеулер нәтижесінде кеңінен өзгертілді, бірақ олар әрекеттік потенциал биофизикасының теориялық зерттеулерінің басым бөлігінің бастапқы нүктесін құрайды. Мембраналық потенциалдың жоғарылауымен натрий иондары арналары ашылып, натрий иондарының жасушаға кіруіне мүмкіндік береді. Мұнан кейін калий иондарының жасушадан шығуына мүмкіндік беретін калий иондары арналары ашылады. Натрий иондарының жасушаға ағыны жасушадағы оң зарядталған катиондардың концентрациясын арттырады және деполяризацияға әкеледі, онда жасуша потенциалы жасушаның тыныш потенциалынан жоғары болады. Натрий арналары әрекеттік потенциалдың ең жоғары нүктесінде жабылады, ал калий жасушадан шығуын жалғастырады. Калий иондарының шығуы мембраналық потенциалды төмендетеді немесе жасушаны гиперполяризациялайды. Тыныш күйден бастап кішкентай кернеудің өсуі үшін калий тогы натрий тогынан асып түседі және кернеу әдеттегі тыныш мәніне, әдетте -70 мВ қайта оралады. Дегенмен, егер кернеу тыныш мәннен жоғарырақ, әдетте 15 мВ жоғарырақ деңгейден асып кетсе, натрий тогы басым болады. Бұл натрий тогынан туындайтын оң кері байланыс арқылы тікелей әрекеттік потенциалды тудыратын қашып кету жағдайына әкеледі. Осылайша, жасуша оқпанды болады, әрекеттік потенциалды құрайды. Нейронның әрекеттік потенциалды тудыру жиілігі көбінесе оқпандау жылдамдығы немесе нейрондық оқпандау жылдамдығы деп аталады. Әрекеттік потенциал барысында кернеуге тәуелді арналардың ашылуынан туындаған токтар әдетте бастапқы стимул токтан әлдеқайда үлкен болады. Осылайша, әрекеттік потенциалдың амплитудасы, ұзақтығы және пішіні стимулдың амплитудасы немесе ұзақтығына емес, қозғыш мембрананың қасиеттерімен анықталады. Әрекеттік потенциалдың осы «немесе» қасиеті оны рецепторлық потенциалдар, электротоникалық потенциалдар, қабықшалық мембраналық потенциал осцилляциялары және синаптық потенциалдар сияқты стимулдың шамасына пропорционал болатын градуирленген потенциалдардан ерекшелендіреді. Көптеген жасуша түрлерінде және жасуша бөлімшелерінде кернеуге тәуелді арналардың, ағып жатқан арналардың, арналардың таралуының, иондық концентрациялардың, мембраналық сыйымдылықтың, температураның және басқа факторлардың типтеріне байланысты әрекеттік потенциалдың әртүрлі типтері бар. Әрекеттік потенциалда қатысатын негізгі иондар – натрий және калий катиондары; натрий иондары жасушаға кіреді, ал калий иондары шығып, тепе-теңдікті қалпына келтіреді. Мембраналық кернеуді күрт өзгерту үшін мембрана арқылы салыстырмалы түрде аз иондардың өтуі қажет. Сондықтан, әрекеттік потенциал кезінде алмасатын иондар жасуша ішіндегі және сыртқы иондық концентрацияларда аз өзгерістер тудырады. Өтетін аз ғана иондар натрий-калий сорпысының және басқа ион транспортерлерінің үздіксіз әрекетімен қайта сорылады, олар мембрана арқылы ион концентрацияларының қалыпты арақатынасын сақтайды. Кальций катиондары мен хлорид аниондары кейбір әрекеттік потенциалдардың типтеріне қатысады, мысалы, жүрек әрекеттік потенциалы және Acetabularia бір жасушалы балдырларындағы әрекеттік потенциал. Әрекеттік потенциалдар қозғыш мембрананың локальды бөліктерінде туындайтын болса да, одан туындайтын токтар көрші мембрана бөліктерінде әрекеттік потенциалды тудыруы мүмкін, нәтижесінде домино сияқты таралу пайда болады. Электр потенциалының пассивті таралуымен (электротоникалық потенциал) салыстырғанда, әрекеттік потенциалдар қозғыш мембрананың бойында жаңадан туындайды және ыдырамай таралады. Аксонның миелинделген бөліктері қозғыш емес және әрекеттік потенциалды өндірмейді, ал сигнал электротоникалық потенциал ретінде пассивті түрде таралады. Ретті түрде орналасқан миелинделмеген бөліктер, Рамвие түйіндері деп аталады, сигналды күшейту үшін әрекеттік потенциалды тудырады. Салтық өткізілім деп аталатын бұл сигнал таралу түрі сигнал жылдамдығының қолайлы компромисін қамтамасыз етеді...

Action potentials result from the presence in a cell's membrane of special types of voltage gated ion channels. A voltage gated ion channel is a transmembrane protein that has three key properties:
It is capable of assuming more than one conformation. At least one of the conformations creates a channel through the membrane that is permeable to specific types of ions. The transition between conformations is influenced by the membrane potential. Thus, a voltage gated ion channel tends to be open for some values of the membrane potential, and closed for others. In most cases, however, the relationship between membrane potential and channel state is probabilistic and involves a time delay. Ion channels switch between conformations at unpredictable times: The membrane potential determines the rate of transitions and the probability per unit time of each type of transition. Voltage gated ion channels are capable of producing action potentials because they can give rise to positive feedback loops: The membrane potential controls the state of the ion channels, but the state of the ion channels controls the membrane potential. Thus, in some situations, a rise in the membrane potential can cause ion channels to open, thereby causing a further rise in the membrane potential. An action potential occurs when this positive feedback cycle (Hodgkin cycle) proceeds explosively. The time and amplitude trajectory of the action potential are determined by the biophysical properties of the voltage gated ion channels that produce it. Several types of channels capable of producing the positive feedback necessary to generate an action potential do exist. Voltage gated sodium channels are responsible for the fast action potentials involved in nerve conduction. Slower action potentials in muscle cells and some types of neurons are generated by voltage gated calcium channels. Each of these types comes in multiple variants, with different voltage sensitivity and different temporal dynamics. The most intensively studied type of voltage dependent ion channels comprises the sodium channels involved in fast nerve conduction. These are sometimes known as Hodgkin Huxley sodium channels because they were first characterized by Alan Hodgkin and Andrew Huxley in their Nobel Prize winning studies of the biophysics of the action potential, but can more conveniently be referred to as NaV channels. (The "V" stands for "voltage".) An NaV channel has three possible states, known as deactivated, activated, and inactivated. The channel is permeable only to sodium ions when it is in the activated state. When the membrane potential is low, the channel spends most of its time in the deactivated (closed) state. If the membrane potential is raised above a certain level, the channel shows increased probability of transitioning to the activated (open) state. The higher the membrane potential the greater the probability of activation. Once a channel has activated, it will eventually transition to the inactivated (closed) state. It tends then to stay inactivated for some time, but, if the membrane potential becomes low again, the channel will eventually transition back to the deactivated state. During an action potential, most channels of this type go through a cycle deactivated→activated→inactivated→deactivated. This is only the population average behavior, however – an individual channel can in principle make any transition at any time. However, the likelihood of a channel's transitioning from the inactivated state directly to the activated state is very low: A channel in the inactivated state is refractory until it has transitioned back to the deactivated state. The outcome of all this is that the kinetics of the NaV channels are governed by a transition matrix whose rates are voltage dependent in a complicated way. Since these channels themselves play a major role in determining the voltage, the global dynamics of the system can be quite difficult to work out. Hodgkin and Huxley approached the problem by developing a set of differential equations for the parameters that govern the ion channel states, known as the Hodgkin Huxley equations. These equations have been extensively modified by later research, but form the starting point for most theoretical studies of action potential biophysics. As the membrane potential is increased, sodium ion channels open, allowing the entry of sodium ions into the cell. This is followed by the opening of potassium ion channels that permit the exit of potassium ions from the cell. The inward flow of sodium ions increases the concentration of positively charged cations in the cell and causes depolarization, where the potential of the cell is higher than the cell's resting potential. The sodium channels close at the peak of the action potential, while potassium continues to leave the cell. The efflux of potassium ions decreases the membrane potential or hyperpolarizes the cell. For small voltage increases from rest, the potassium current exceeds the sodium current and the voltage returns to its normal resting value, typically −70 mV. However, if the voltage increases past a critical threshold, typically 15 mV higher than the resting value, the sodium current dominates. This results in a runaway condition whereby the positive feedback from the sodium current activates even more sodium channels. Thus, the cell fires, producing an action potential. The frequency at which a neuron elicits action potentials is often referred to as a firing rate or neural firing rate. Currents produced by the opening of voltage gated channels in the course of an action potential are typically significantly larger than the initial stimulating current. Thus, the amplitude, duration, and shape of the action potential are determined largely by the properties of the excitable membrane and not the amplitude or duration of the stimulus. This all or nothing property of the action potential sets it apart from graded potentials such as receptor potentials, electrotonic potentials, subthreshold membrane potential oscillations, and synaptic potentials, which scale with the magnitude of the stimulus. A variety of action potential types exist in many cell types and cell compartments as determined by the types of voltage gated channels, leak channels, channel distributions, ionic concentrations, membrane capacitance, temperature, and other factors. The principal ions involved in an action potential are sodium and potassium cations; sodium ions enter the cell, and potassium ions leave, restoring equilibrium. Relatively few ions need to cross the membrane for the membrane voltage to change drastically. The ions exchanged during an action potential, therefore, make a negligible change in the interior and exterior ionic concentrations. The few ions that do cross are pumped out again by the continuous action of the sodium–potassium pump, which, with other ion transporters, maintains the normal ratio of ion concentrations across the membrane. Calcium cations and chloride anions are involved in a few types of action potentials, such as the cardiac action potential and the action potential in the single cell alga Acetabularia, respectively. Although action potentials are generated locally on patches of excitable membrane, the resulting currents can trigger action potentials on neighboring stretches of membrane, precipitating a domino like propagation. In contrast to passive spread of electric potentials (electrotonic potential), action potentials are generated anew along excitable stretches of membrane and propagate without decay. Myelinated sections of axons are not excitable and do not produce action potentials and the signal is propagated passively as electrotonic potential. Regularly spaced unmyelinated patches, called the nodes of Ranvier, generate action potentials to boost the signal. Known as saltatory conduction, this type of signal propagation provides a favorable tradeoff of signal velocity and axon diameter. Depolarization of axon terminals, in general, triggers the release of neurotransmitter into the synaptic cleft. In addition, backpropagating action potentials have been recorded in the dendrites of pyramidal neurons, which are ubiquitous in the neocortex. These are thought to have a role in spike timing dependent plasticity. In the Hodgkin–Huxley membrane capacitance model, the speed of transmission of an action potential was undefined and it was assumed that adjacent areas became depolarized due to released ion interference with neighbouring channels. Measurements of ion diffusion and radii have since shown this not to be possible. Moreover, contradictory measurements of entropy changes and timing disputed the capacitance model as acting alone. Alternatively, Gilbert Ling's adsorption hypothesis, posits that the membrane potential and action potential of a living cell is due to the adsorption of mobile ions onto adsorption sites of cells.

Акциялық потенциалдың электрлік қасиеттерінің жетілуі

Нейронның әрекет потенциалын жасау және тарату қабілеті даму кезеңінде өзгереді. Ток импульсі нәтижесінде нейронның мембраналық потенциалы қаншалықты өзгеретіні, мембрананың кіріс кедергісіне байланысты. Жасуша өскен сайын мембранаға көбірек каналдар қосылады, бұл кіріс кедергісінің төмендеуіне себеп болады. Ересек нейрон синапстық тоқтарға жауап ретінде мембраналық потенциалда қысқа өзгерістерді бастан кешіреді. Фреттердің латеральды тізелік ядросынан алынған нейрондар P0 кезеңінде P30 кезеңіне қарағанда ұзақ уақыт константасына және үлкен вольтаж ауытқуына ие. Әрекет потенциалының ұзақтығының қысқаруының бір салдары – жоғары жиілікті стимуляцияға жауап ретінде сигналдың дұрыстығы сақталуы мүмкін. Дамымаған нейрондар жоғары жиілікті стимуляциядан кейін потенциялануға қарағанда синапстық депрессияға көбірек бейім. Екіншіден, кешіктірілген түздегіш, калий каналы арқылы өтетін ток, бастапқы күшінен 3,5 есеге артады. Тіпті жасушаның өзінің электрлік белсенділігі де каналдың экспрессиясына әсер етуі мүмкін. Егер Xenopus миоциттеріндегі әрекет потенциалы тоқтатылса, натрий мен калий тогының тығыздығының қалыпты өсуіне жол берілмейді немесе кешіктіріледі. Электрлік қасиеттердің жетілуі түрлер арасында байқалады. Нейрон митоздың соңғы фазасынан өткеннен кейін Xenopus натрий және калий тогы күрт өседі. Егеуқұйрықтардың қыртыс нейрондарының натрий тогының тығыздығы туғаннан кейінгі алғашқы екі апта ішінде 600%-ға артады. Бұл рецепторлық потенциалдармен қарама-қайшы, олардың амплитудасы стимулдың қарқындылығына байланысты. Екі жағдайда да әрекет потенциалдарының жиілігі стимулдың қарқындылығымен байланысты. Әрекет потенциалын стереотиптік, біркелкі сигнал ретінде қарастыратын дәстүрлі көзқарас көптеген жылдар бойы нейроғылым саласында басым болғанымен, жаңа деректер әрекет потенциалдарының амплитудасы ғана емес, сонымен қатар ұзақтығы мен фазасы арқылы ақпаратты жеткізе алатын күрделі оқиғалар екенін көрсетеді, кейде тіпті бастапқыда мүмкін емес деп есептелген қашықтықтарға дейін.

A neuron's ability to generate and propagate an action potential changes during development. How much the membrane potential of a neuron changes as the result of a current impulse is a function of the membrane input resistance. As a cell grows, more channels are added to the membrane, causing a decrease in input resistance. A mature neuron also undergoes shorter changes in membrane potential in response to synaptic currents. Neurons from a ferret lateral geniculate nucleus have a longer time constant and larger voltage deflection at P0 than they do at P30. One consequence of the decreasing action potential duration is that the fidelity of the signal can be preserved in response to high frequency stimulation. Immature neurons are more prone to synaptic depression than potentiation after high frequency stimulation. Second, the delayed rectifier, a potassium channel current, increases to 3.5 times its initial strength. Even the electrical activity of the cell itself may play a role in channel expression. If action potentials in Xenopus myocytes are blocked, the typical increase in sodium and potassium current density is prevented or delayed. This maturation of electrical properties is seen across species. Xenopus sodium and potassium currents increase drastically after a neuron goes through its final phase of mitosis. The sodium current density of rat cortical neurons increases by 600% within the first two postnatal weeks. This is in contrast to receptor potentials, whose amplitudes are dependent on the intensity of a stimulus. In both cases, the frequency of action potentials is correlated with the intensity of a stimulus. Despite the classical view of the action potential as a stereotyped, uniform signal having dominated the field of neuroscience for many decades, newer evidence does suggest that action potentials are more complex events indeed capable of transmitting information through not just their amplitude, but their duration and phase as well, sometimes even up to distances originally not thought to be possible.

Сезімдік нейрондар

Сезім нейрондарында қысым, температура, жарық немесе дыбыс сияқты сыртқы сигнал иондық арналардың ашылуы мен жабылуымен байланысты, бұл өз кезегінде мембрананың иондық өткізгіштігі мен оның вольтажды өзгертеді. Бұл вольтаждық өзгерістер қоздырғыштық (деполяризациялық) немесе тежегіш (гиперполяризациялық) болуы мүмкін, ал кейбір сезім нейрондарында олардың біріккен әсері аксондық дөңесті деполяризациялап, әрекет потенциалын тудыруға жеткілікті. Адамдағы мысалдарға иіс сезу рецепторлық нейроны және Мейснер денешігі жатады, олар тиісінше иіс сезу және қозғалыс сезімі үшін маңызды. Дегенмен, барлық сезім нейрондары сыртқы сигналдарды әрекет потенциалына түрлендірмейді; кейбіреулерінде тіпті аксон да болмайды. Олардың орнына сигналды нейротрансмиттердің бөлінуіне немесе үздіксіз градиенттік потенциалдарға түрлендіруі мүмкін, олардың екеуі де келесі нейронды әрекет потенциалын тудыруға ынталандыруы мүмкін. Мысалы, адамның құлағындағы шашты жасушалар кіріп келетін дыбысты механикалық жабылатын иондық арналардың ашылуы мен жабылуына түрлендіреді, бұл нейротрансмиттер молекулаларының бөлінуіне себеп болуы мүмкін. Сол сияқты, адамның торлы қабатындағы бастапқы фоторецепторлық жасушалар мен жасушалардың келесі қабаты (биполярлық және көлденең жасушалардан тұратын) әрекет потенциалын тудырмайды; тек кейбір амакрин жасушалары мен үшінші қабаттағы ганглиондық жасушалар ғана әрекет потенциалын тудырады, содан кейін олар көру нерві арқылы жоғары қарай жүреді.

Жүрек сергітуші потенциалы

Сезімдік нейрондарда әрекет потенциалы сыртқы тітіркендіргіштің әсерінен пайда болады. Дегенмен, кейбір қозғыш жасушаларға мұндай тітіркендіргіш қажет емес: олар аксондық дөңгелегін өздігінен деполяризациялап, ішкі сағат сияқты белгілі бір жиілікпен әрекет потенциалын тудырады. Мұндай жасушалардың вольтметрлік іздері «кардиостимуляторлық потенциалдар» деп аталады. Жүректегі синоатриалдық түйіннің кардиостимуляторлық жасушалары осыған жақсы мысал. Мұндай кардиостимуляторлық потенциалдардың табиғи ритмі бар болғанымен, оны сыртқы тітіркендіргіштермен реттеуге болады; мысалы, жүрек соғу жиілігі дәрі-дәрмектермен, сондай-ақ симпатикалық және парасимпатикалық жүйкелерден келетін сигналдармен өзгеруі мүмкін. Сыртқы тітіркендіргіштер жасушаның қайталап оқуын тудырмайды, тек оның уақытын өзгертеді. Кейбір жағдайларда жиілікті реттеу күрделірек болуы мүмкін, нәтижесінде әрекет потенциалдарының белгілі бір үлгілері, мысалы, жарылыстар пайда болады.

Фазалары

Акциялық потенциалдың барысын бес кезеңге бөлуге болады: өсу кезеңі, шыңы, төмендеу кезеңі, төменгі деңгей және рефрактерлік кезең. Өсу кезеңінде мембраналық потенциал деполяризацияланады (оңға қарай өзгереді). Деполяризация тоқтаған нүкте шың деп аталады. Бұл кезеңде мембраналық потенциал максималды мәнге жетеді. Одан кейін төмендеу кезеңі басталады. Бұл кезеңде мембраналық потенциал теріс болады, тынығу потенциалына қарай қайта оралады. Төменгі деңгей, немесе гиперполяризациядан кейінгі кезең – мембраналық потенциалдың тынығу кезіндегіден (гиперполяризацияланған) көбірек теріс зарядталған уақытша кезеңі. Соңында, келесі акциялық потенциалды іске қосу мүмкін емес немесе қиын болатын уақыт рефрактерлік кезең деп аталады, ол басқа кезеңдермен қатар жүруі мүмкін. Акциялық потенциалдың барысы екі байланысты эффектімен анықталады. Біріншіден, мембраналық кернеу Vm өзгерген кезде, кернеуге сезімтал иондық каналдар ашылады және жабылады. Бұл мембрананың осы иондарға қатысты өткізгіштігін өзгертеді. Екіншіден, Голдман теңдеуіне сәйкес, өткізгіштіктің өзгеруі тепе-теңдік потенциалын Em және, демек, мембраналық кернеу Vm-ді өзгертеді. Дегенмен, олардың моделі кернеуге сезімтал иондық каналдардың тек екі түрін қарастырады және олар туралы бірнеше болжам жасайды, мысалы, олардың ішкі қақпалары бір-бірінен тәуелсіз ашылады және жабылады. Шындығында, иондық каналдардың көптеген түрлері бар және олар әрқашан дербес ашылып немесе жабылмайды.

Стимуляция және көтерілу кезеңі

Типтік әрекет потенциалы аксон төбелінен жеткілікті күшті деполяризациямен, мысалы, Vm-ді ұлғайтатын стимулмен басталады. Бұл деполяризацияның себебі көбінесе жасушаға қосымша натрий катиондарының енуі болып табылады; бұл катиондар химиялық синапстар, сезімдік нейрондар немесе кардиостимуляторлық потенциалдар сияқты әртүрлі көздерден келуі мүмкін. Тыныш күйдегі нейрон үшін жасуша сыртында натрий және хлорид иондарының концентрациясы жасуша ішіндегіден жоғары, ал жасуша ішінде калий иондарының концентрациясы жасуша сыртындағыдан жоғары болады. Концентрациядағы айырмашылық, иондардың жоғары концентрациядан төмен концентрацияға қозғалуына себеп болады, сондай-ақ электростатикалық әсерлер (қарсы зарядтардың тартылуы) иондардың нейронға кіруіне және одан шығуына жауап береді. Нейронның ішкі жағы, К+ иондарының жасушадан шығуынан, жасуша сыртымен салыстырғанда теріс зарядталған. Нейрон мембранасы басқа иондарға қарағанда К+ иондарына көбірек өткізгіш, бұл ионның концентрация градиенті бойынша жасушадан селективті түрде шығуына мүмкіндік береді. Бұл концентрация градиенті, нейрон мембранасындағы калийтің шығу арналарымен бірге, калий иондарының шығуына себеп болады, бұл тынығу потенциалын ЭК ≈ –75 мВ-қа жуық етеді. Na+ иондары жасуша сыртында жоғары концентрацияда болғандықтан, концентрация және кернеу айырмашылығы оларды Na+ арналары ашылғанда жасушаға итереді. Деполяризация мембранадағы натрий және калий арналарын ашады, бұл иондардың аксонға енуіне және одан шығуына мүмкіндік береді. Егер деполяризация аз болса (мысалы, Vm-ді –70 мВ-тан –60 мВ-қа дейін ұлғайту), сыртқа қарайғы калий тогы ішке қарайғы натрий тогын басып, мембрана өзінің қалыпты тынығу потенциалына –70 мВ-қа дейін қайта поляризацияланады. Алайда, егер деполяризация жеткілікті үлкен болса, ішке қарайғы натрий тогы сыртқа қарайғы калий тогынан артық көбейеді және қашып кету жағдайы (оң кері байланыс) пайда болады: ішке қарайғы ток неғұрлым көп болса, Vm соғұрлым артады, бұл өз кезегінде ішке қарайғы токты одан әрі арттырады. Жеткілікті күшті деполяризация (Vm-нің ұлғаюы) кернеуге сезімтал натрий арналарын ашады; натрийге өткізгіштіктің артуы Vm-ді натрийдің тепе-теңдік кернеуіне жақын, ENa ≈ +55 мВ-қа жақындатады. Кернеудің артуы өз кезегінде одан да көп натрий арналарын ашады, бұл Vm-ді ENa-ға қарай одан әрі жылжытады. Бұл оң кері байланыс натрий арналары толық ашылғанша және Vm ENa-ға жақын болғанша жалғасады. Vm және натрий өткізгіштігінің күрт өсуі әрекет потенциалының өсу фазасына сәйкес келеді. Бұл қашып кету жағдайының критикалық шекті кернеуі әдетте –45 мВ шамасында болады, бірақ ол аксонның соңғы белсенділігіне байланысты. Әрекет потенциалын жақында іске қосқан жасуша бірден басқасын іске қоса алмайды, өйткені Na+ арналары белсенді емес күйінен қалпына келмеді. Жаңа әрекет потенциалын іске қосу мүмкін емес кезең абсолютті рефрактерлік кезең деп аталады. Ұзақ уақыттан кейін, кейбір, бірақ барлық иондық арналар қалпына келгеннен кейін, аксонды басқа әрекет потенциалын өндіруге ынталандыруға болады, бірақ жоғары шегі бар, мысалы, –30 мВ-қа дейін деполяризация қажет. Әрекет потенциалын тудырудың әдеттен тыс қиын болатын кезең салыстырмалы рефрактерлік кезең деп аталады.

A typical action potential begins at the axon hillock with a sufficiently strong depolarization, e. g., a stimulus that increases Vm. This depolarization is often caused by the injection of extra sodium cations into the cell; these cations can come from a wide variety of sources, such as chemical synapses, sensory neurons or pacemaker potentials. For a neuron at rest, there is a high concentration of sodium and chloride ions in the extracellular fluid compared to the intracellular fluid, while there is a high concentration of potassium ions in the intracellular fluid compared to the extracellular fluid. The difference in concentrations, which causes ions to move from a high to a low concentration, and electrostatic effects (attraction of opposite charges) are responsible for the movement of ions in and out of the neuron. The inside of a neuron has a negative charge, relative to the cell exterior, from the movement of K+ out of the cell. The neuron membrane is more permeable to K+ than to other ions, allowing this ion to selectively move out of the cell, down its concentration gradient. This concentration gradient along with potassium leak channels present on the membrane of the neuron causes an efflux of potassium ions making the resting potential close to EK ≈ –75 mV. Since Na+ ions are in higher concentrations outside of the cell, the concentration and voltage differences both drive them into the cell when Na+ channels open. Depolarization opens both the sodium and potassium channels in the membrane, allowing the ions to flow into and out of the axon, respectively. If the depolarization is small (say, increasing Vm from −70 mV to −60 mV), the outward potassium current overwhelms the inward sodium current and the membrane repolarizes back to its normal resting potential around −70 mV. However, if the depolarization is large enough, the inward sodium current increases more than the outward potassium current and a runaway condition (positive feedback) results: the more inward current there is, the more Vm increases, which in turn further increases the inward current. A sufficiently strong depolarization (increase in Vm) causes the voltage sensitive sodium channels to open; the increasing permeability to sodium drives Vm closer to the sodium equilibrium voltage ENa≈ +55 mV. The increasing voltage in turn causes even more sodium channels to open, which pushes Vm still further towards ENa. This positive feedback continues until the sodium channels are fully open and Vm is close to ENa. The sharp rise in Vm and sodium permeability correspond to the rising phase of the action potential. The critical threshold voltage for this runaway condition is usually around −45 mV, but it depends on the recent activity of the axon. A cell that has just fired an action potential cannot fire another one immediately, since the Na+ channels have not recovered from the inactivated state. The period during which no new action potential can be fired is called the absolute refractory period. At longer times, after some but not all of the ion channels have recovered, the axon can be stimulated to produce another action potential, but with a higher threshold, requiring a much stronger depolarization, e. g., to −30 mV. The period during which action potentials are unusually difficult to evoke is called the relative refractory period.

Басым кезең

Көтерілу фазасының оң кері байланысы баяулап, натрий иондық арналар толық ашылғанда тоқтап қалады. Әрекеттік потенциалдың ең жоғарғы нүктесінде натрий өткізгіштігі максималды болады және мембраналық потенциал Vm натрий тепе-теңдік потенциалы ENa-ға шамамен тең болады. Дегенмен, бастапқыда натрий арналарын ашқан сол жоғары потенциал, оларды порларын жауып, бірте-бірте жабады; натрий арналары инактивацияланады. Бұл мембрананың натрийге қатысты калийге өтімділігін төмендетеді, мембраналық потенциалды тыныш күйге қарай қайтарады. Сонымен қатар, жоғарылаған потенциал потенциалға сезімтал калий арналарын ашады; мембрананың калий өткізгіштігінің артуы Vm-ді EK-қа қарай жылжитады. Натрий мен калий өткізгіштігіндегі осы өзгерістердің нәтижесінде Vm жылдам төмендейді, мембрана реполяризацияланады және әрекеттік потенциалдың "төмендеу фазасын" құрайды.

Гиперполяризациядан кейін

Деполяризацияланған кернеулік кернеуге тәуелді қосымша калий арналарын ашады, ал олардың кейбіреулері мембрана қалыпты тынығу кернеулігіне оралғанда бірден жабылмайды. Сонымен қатар, әрекет потенциалы барысында кальций иондарының кірігіп келуіне жауап ретінде тағы да калий арналары ашылады. Калий иондарының жасуша ішіндегі концентрациясы уақытша ерекше төмендейді, бұл мембраналық кернеу Vm-ді калийдің тепе-теңдік кернеуі EK-ге одан да жақындатады. Мембраналық потенциал тынығу мембраналық потенциалдан төмен түседі. Осыдан келіп, мембраналық калий өткізгіштігі әдеттегі деңгейге оралғанға дейін сақталатын, артқы гиперполяризация деп аталатын, төмендеу немесе гиперполяризация пайда болады, ол мембраналық потенциалды тынығу күйіне қайтарады.

Жарық өткізбейтін кезең

Әрбір әрекет потенциалынан кейін отқа төзімді кезең пайда болады, оны әрекет потенциалын шақыру мүмкін емес абсолютті отқа төзімді кезеңге, содан кейін әдеттегіден күшті тітіркендіру қажет болатын салыстырмалы отқа төзімді кезеңге бөлуге болады. Бұл екі отқа төзімді кезең натрий және калий каналдары молекулаларының күйінің өзгеруінен туындайды. Әрекет потенциалынан кейін жабылатын натрий каналдары "белсенді емес" күйге енеді, онда мембраналық потенциалға қарамастан оларды ашуға болмайды – осылайша абсолютті отқа төзімді кезең пайда болады. Натрий каналдарының жеткілікті саны тынығу күйіне қайтқаннан кейін де, калий каналдарының бір бөлігі ашық қалып, мембраналық потенциалдың деполяризациялануын қиындатады, соның салдарынан салыстырмалы отқа төзімді кезең пайда болады. Калий каналдарының тығыздығы мен түрлері әртүрлі нейрондарда айтарлықтай өзгеше болғандықтан, салыстырмалы отқа төзімділік кезеңінің ұзақтығы өте өзгермелі болады. Абсолютті отқа төзімділік кезеңі аксон бойымен әрекет потенциалдарының бір бағытта таралуына жауап береді. Кез келген сәтте аксонның белсенді тікенек бөлігінің артындағы бөлігі отқа төзімді болады, ал алдыңғы бөлігі жақында белсендірілмегендіктен, әрекет потенциалынан туындаған деполяризациядан тітіркендірілуі мүмкін.

Көбейту

Аксон дөңесінде туындаған әрекет потенциалы аксон бойымен толқын ретінде таралады. Әрекет потенциалы кезінде аксонның бір нүктесіне ағып кіретін тоқтар аксон бойымен таралып, оның мембранасының жақын орналасқан бөліктерін деполяризациялайды. Егер бұл деполяризация жеткілікті күшті болса, ол көрші мембраналық участаларда ұқсас әрекет потенциалын тудырады. Бұл негізгі механизмді 1937 жылы Алан Ллойд Ходжкин көрсеткен. Ол жүйке сегменттерін ұрып немесе салқындатып, осылайша әрекет потенциалын тоқтатып, блоктан бір жағынан келген әрекет потенциалы, егер бұл блокталған сегмент жеткілікті қысқа болса, екінші жағында басқа бір әрекет потенциалын тудыра алатынын көрсетті. Мембрананың бір учаскесінде әрекет потенциалы болғаннан кейін, оның қайтадан оқуына дейін белгілі бір уақыт қажет. Молекулалық деңгейде бұл абсолютті рефрактерлік кезең, вольтажға сезімтал натрий каналдарының инактивациядан шығуына, яғни жабық күйіне оралуына қажетті уақытқа сәйкес келеді. Нейрондарда вольтажға сезімтал калий каналдарының көптеген түрлері бар. Олардың кейбіреулері жылдам (А типіндегі тоқтар) инактивацияланады, ал кейбіреулері баяу инактивацияланады немесе мүлдем инактивацияланбайды; мұндай айырмашылық реполяризация үшін ток көзінің әрқашан қолжетімді болуын қамтамасыз етеді, тіпті кейбір калий каналдары бұрынғы деполяризация салдарынан инактивацияланған болса да. Керісінше, барлық нейрондық вольтажға сезімтал натрий каналдары күшті деполяризация кезінде бірнеше миллисекунд ішінде инактивацияланады, осылайша натрий каналдарының жеткілікті бөлігі жабық күйіне оралғанша келесі деполяризация мүмкін болмайды. Ол оқу жиілігін шектесе де, абсолютті рефрактерлік кезең әрекет потенциалының аксон бойымен тек бір бағытта қозғалуын қамтамасыз етеді. Әрекет потенциалына байланысты ағып жатқан тоқтар аксон бойымен екі бағытта да таралады. Дегенмен, әрекет потенциалына тек аксонның оқудан өтпеген бөлігі ғана жауап бере алады; ал жақында оқыған бөлігі, әрекет потенциалы қауіпсіз қашықтыққа шығып, оны қайтадан ынталандыра алмайтынша жауап бермейді. Әдеттегі ортодромалық өткізілімде әрекет потенциалы аксон дөңесінен синаптық түймелерге (аксондық терминалдарға) қарай таралады; кері бағыттағы таралу – антидромалық өткізілім деп аталады – өте сирек кездеседі. Алайда, егер зертханалық аксонның ортасынан ынталандырылса, аксонның екі жартысы да «жаңа», яғни оқудан өтпеген болады; содан кейін екі әрекет потенциалы туындайды, біреуі аксон дөңесіне қарай, екіншісі синаптық түймелерге қарай жүреді.

The action potential generated at the axon hillock propagates as a wave along the axon. The currents flowing inwards at a point on the axon during an action potential spread out along the axon, and depolarize the adjacent sections of its membrane. If sufficiently strong, this depolarization provokes a similar action potential at the neighboring membrane patches. This basic mechanism was demonstrated by Alan Lloyd Hodgkin in 1937. After crushing or cooling nerve segments and thus blocking the action potentials, he showed that an action potential arriving on one side of the block could provoke another action potential on the other, provided that the blocked segment was sufficiently short. Once an action potential has occurred at a patch of membrane, the membrane patch needs time to recover before it can fire again. At the molecular level, this absolute refractory period corresponds to the time required for the voltage activated sodium channels to recover from inactivation, i. e., to return to their closed state. There are many types of voltage activated potassium channels in neurons. Some of them inactivate fast (A type currents) and some of them inactivate slowly or not inactivate at all; this variability guarantees that there will be always an available source of current for repolarization, even if some of the potassium channels are inactivated because of preceding depolarization. On the other hand, all neuronal voltage activated sodium channels inactivate within several milliseconds during strong depolarization, thus making following depolarization impossible until a substantial fraction of sodium channels have returned to their closed state. Although it limits the frequency of firing, the absolute refractory period ensures that the action potential moves in only one direction along an axon. The currents flowing in due to an action potential spread out in both directions along the axon. However, only the unfired part of the axon can respond with an action potential; the part that has just fired is unresponsive until the action potential is safely out of range and cannot restimulate that part. In the usual orthodromic conduction, the action potential propagates from the axon hillock towards the synaptic knobs (the axonal termini); propagation in the opposite direction—known as antidromic conduction—is very rare. However, if a laboratory axon is stimulated in its middle, both halves of the axon are "fresh", i. e., unfired; then two action potentials will be generated, one traveling towards the axon hillock and the other traveling towards the synaptic knobs.

Миелин және тұздық өткізгіштік

Жүйке жүйесіндегі электрлік сигналдарды жылдам және тиімді тарату үшін кейбір нейрон аксондары миелин қабықшаларымен қапталады. Миелин – аксонды Ранвье түйіндері деп аталатын аралықтармен бөлінген сегменттермен орап тұратын көп қабатты мембрана. Ол арнайы жасушалармен: Шванн жасушалары шеткі жүйке жүйесінде ғана, ал олигодендроциттер орталық жүйке жүйесінде ғана өндіріледі. Миелин қабықшасы мембрананың сыйымдылығын азайтады және түйін аралық аралықтарда мембрананың кедергісін арттырады, соның нәтижесінде әрекет потенциалының түйінден түйінге жылдам, сальтаторлық қозғалысына мүмкіндік береді. Миелиндіру негізінен омыртқалыларда кездеседі, бірақ ұқсас жүйе кейбір омыртқасыздарда, мысалы, кейбір түрлерінің креветкаларында да табылды. Омыртқалы жануарлардағы барлық нейрондар миелинді емес; мысалы, автономды жүйке жүйесін құрайтын нейрондардың аксондары, әдетте, миелинді емес. Миелин иондардың миелинді сегменттер бойымен аксонға кіруіне немесе одан шығуына кедергі келтіреді. Жалпы ереже бойынша, миелиндіру әрекет потенциалының өткізілу жылдамдығын арттырады және оны энергияны тиімді пайдалануға мүмкіндік береді. Сальтаторлық немесе басқаша болсын, әрекет потенциалының орташа өткізілу жылдамдығы секундына 1 метрден (м/с) 100 м/с-тан асып, әдетте аксон диаметріне байланысты артады. Әрекет потенциалы аксонның миелинді сегменттеріндегі мембрана арқылы таралмайды. Дегенмен, ток цитоплазмамен тасымалданады, бұл Ранвье түйінінің бірінші немесе екінші түйінін деполяризациялауға жеткілікті. Керісінше, Ранвье түйініндегі әрекет потенциалынан иондық ток келесі түйінде әрекет потенциалын тудырады; бұл әрекет потенциалының түйінден түйінге "секіруі" сальтаторлық өткізілу деп аталады. Сальтаторлық өткізілу механизмін 1925 жылы Ральф Лилли ұсынғанмен, сальтаторлық өткізілудің алғашқы тәжірибелік дәлелдері Ичижи Тасаки мен Тайджи Такеучи және Эндрю Хаксли мен Роберт Стемпфлиден келді. Ал миелинсіз аксондарда әрекет потенциалы бірден жанындағы мембранада екіншісін тудырады және аксонды толқын сияқты үздіксіз төмен қарай жылжытады. Миелиннің екі маңызды артықшылығы бар: жылдам өткізілу жылдамдығы және энергия тиімділігі. Минималды диаметрінен (шамамен 1 микрометр) үлкен аксондар үшін миелиндіру әрекет потенциалының өткізілу жылдамдығын әдетте он есеге дейін арттырады. Аксонның миелинді сегменттерінің ұзындығы сальтаторлық өткізілудің сәттілігі үшін маңызды. Олар өткізілу жылдамдығын барынша арттыру үшін мүмкіндігінше ұзын болуы керек, бірақ келген сигнал Ранвье түйінінің келесісінде әрекет потенциалын тудыру үшін тым әлсіз болмауы керек. Табиғатта миелинді сегменттер әдетте пассивті таратылған сигналдың кем дегенде екі түйінге өтуіне жеткілікті ұзын, ал екінші немесе үшінші түйінде әрекет потенциалын тудыруға жеткілікті амплитуданы сақтайды. Осылайша, сальтаторлық өткізілудің қауіпсіздік факторы жоғары, зақымдану жағдайында берілуді түйіндерді айналып өтуге мүмкіндік береді. Дегенмен, әрекет потенциалы қауіпсіздік факторы төмен болған жерлерде, тіпті миелинсіз нейрондарда да ертерек аяқталуы мүмкін; жиі кездесетін мысал – аксонның екі аксонға бөлінетін тармақталу нүктесі. Кейбір аурулар миелинді бұзады және сальтаторлық өткізілуді нашарлатады, бұл әрекет потенциалының өткізілу жылдамдығын төмендетеді. Олардың ең танымал мысалы – миелиннің бұзылуы координацияланған қозғалысты нашарлататын көп склероз.

In order to enable fast and efficient transduction of electrical signals in the nervous system, certain neuronal axons are covered with myelin sheaths. Myelin is a multilamellar membrane that enwraps the axon in segments separated by intervals known as nodes of Ranvier. It is produced by specialized cells: Schwann cells exclusively in the peripheral nervous system, and oligodendrocytes exclusively in the central nervous system. Myelin sheath reduces membrane capacitance and increases membrane resistance in the inter node intervals, thus allowing a fast, saltatory movement of action potentials from node to node. Myelination is found mainly in vertebrates, but an analogous system has been discovered in a few invertebrates, such as some species of shrimp. Not all neurons in vertebrates are myelinated; for example, axons of the neurons comprising the autonomous nervous system are not, in general, myelinated. Myelin prevents ions from entering or leaving the axon along myelinated segments. As a general rule, myelination increases the conduction velocity of action potentials and makes them more energy efficient. Whether saltatory or not, the mean conduction velocity of an action potential ranges from 1 meter per second (m/s) to over 100 m/s, and, in general, increases with axonal diameter. Action potentials cannot propagate through the membrane in myelinated segments of the axon. However, the current is carried by the cytoplasm, which is sufficient to depolarize the first or second subsequent node of Ranvier. Instead, the ionic current from an action potential at one node of Ranvier provokes another action potential at the next node; this apparent "hopping" of the action potential from node to node is known as saltatory conduction. Although the mechanism of saltatory conduction was suggested in 1925 by Ralph Lillie, the first experimental evidence for saltatory conduction came from Ichiji Tasaki and Taiji Takeuchi and from Andrew Huxley and Robert Stämpfli. By contrast, in unmyelinated axons, the action potential provokes another in the membrane immediately adjacent, and moves continuously down the axon like a wave. Myelin has two important advantages: fast conduction speed and energy efficiency. For axons larger than a minimum diameter (roughly 1 micrometre), myelination increases the conduction velocity of an action potential, typically tenfold. The length of axons' myelinated segments is important to the success of saltatory conduction. They should be as long as possible to maximize the speed of conduction, but not so long that the arriving signal is too weak to provoke an action potential at the next node of Ranvier. In nature, myelinated segments are generally long enough for the passively propagated signal to travel for at least two nodes while retaining enough amplitude to fire an action potential at the second or third node. Thus, the safety factor of saltatory conduction is high, allowing transmission to bypass nodes in case of injury. However, action potentials may end prematurely in certain places where the safety factor is low, even in unmyelinated neurons; a common example is the branch point of an axon, where it divides into two axons. Some diseases degrade myelin and impair saltatory conduction, reducing the conduction velocity of action potentials. The most well known of these is multiple sclerosis, in which the breakdown of myelin impairs coordinated movement.

Кабель теориясы

Аксон ішіндегі ток ағынын кабельдік теория және оның кеңейтілімдері, мысалы, бөлімделген модель арқылы сандық түрде сипаттауға болады. 1855 жылы лорд Кельвин трансатлантикалық телеграф кабелін модельдеу үшін кабельдік теорияны жасады, ал 1946 жылы Ходжкин мен Раштон оның нейрондарға қатысты екенін көрсетті. Жай кабельдік теорияда нейрон электрлік жағынан пассивті, толық цилиндрлі беріліс кабелі ретінде қарастырылады, оны ішінара дифференциалдық теңдеу арқылы сипаттауға болады. Нейротрансмиттерлер – постсинаптикалық жасушада иондық каналдарды аша алатын шағын молекулалар; көптеген аксондардың барлық терминалдарында бірдей нейротрансмиттер болады. Әрекеттік потенциалдың келуі пресинаптикалық мембранадағы вольтажға сезімтал кальций каналдарын ашады; кальцийтің кіруі нейротрансмиттерге толы везикулалардың жасуша бетіне жылжуына және олардың құрамын синаптық кеңістікке босатуына себеп болады. Бұл күрделі процеске тетаноспазмин және ботулинтoксині сияқты нейротоксиндер кедергі келтіреді, олар тетанус және ботулизмге жауап береді.

Электрлік синапстар

Кейбір синапстар нейротрансмиттердің "аралық буынын" жойып, пресинаптикалық және постсинаптикалық жасушаларды тікелей байланыстырады. Әрекеттік потенциал мұндай синапсқа жеткенде, пресинаптикалық жасушаға ағып келетін иондық тоқтар екі жасуша мембранасының бөгетін кесіп өтіп, коннексон деп аталатын тесіктер арқылы постсинаптикалық жасушаға өте алады. Осылайша, пресинаптикалық әрекеттік потенциалдың иондық тоқтары постсинаптикалық жасушаны тікелей стимуляциялай алады. Электрлік синапстар жылдам таралуға мүмкіндік береді, себебі олар синапстық кеңістік арқылы нейротрансмиттерлердің баяу таралуын қажет етпейді. Сондықтан электрлік синапстар жылдам жауап беру және уақытты координациялау маңызды жағдайларда қолданылады, мысалы, қашқыш рефлекстерде, омыртқалылардың торлы қабығында және жүректе.

Нейромышектік түйісулер

Химиялық синапстың ерекше жағдайы – нейромышелік қосылыс, онда моторлық нейронның аксоны бұлшық ет талшығында аяқталады. Мұндай жағдайларда босатылатын нейротрансмиттер ацетилхолин, ол бұлшық ет талшығының мембранасындағы (сарколемма) ацетилхолин рецепторына – интегралды мембраналық белокқа байланысады. Бірақ ацетилхолин байланысты күйде қалмайды, керісінше, ажырап, синапста орналасқан ацетилхолинестераз ферментімен гидролизденеді. Бұл фермент бұлшық етке берілетін күшті күшті қысқартады, бұл бұлшық еттің жиырылу дәрежесі мен уақытын қатаң реттеуге мүмкіндік береді. Кейбір улар ацетилхолинестеразаның активтілігін тежеп, осы реттеуге кедергі келтіреді, мысалы, зарин және табун сияқты нервтік агенттер, сондай-ақ диазинон мен малатион сияқты инсектицидтер.

Жүрекке әсер ету потенциалы

Кардиоактивті потенциал нейрондық активті потенциалдан кеңейтілген платосымен ерекшеленеді, онда мембрана калий тогымен әдеттегідей реполяризациялануға дейін бірнеше жүз миллисекунд бойы жоғары кернеуде сақталады. Синоатриалдық түйіннің жүрек жасушалары жүректі синхрондау үшін жүрек соғу потенциалын қамтамасыз етеді. Бұл жасушалардың әрекет потенциалы атриовентрикулярлық түйінге (АВ түйін) және одан қарыншаларға таралады, бұл әдетте атрия мен қарыншалар арасындағы жалғыз өткізгіш жол болып табылады. АВ түйінінен Гис шоғыры арқылы, одан Пуркинье талшықтарына әрекет потенциалы жетеді. Керісінше, жүрек активті потенциалындағы аномалиялар – туа біткен мутация немесе жарақат салдарынан – адам патологиясына, әсіресе аритмияға алып келуі мүмкін.

Бұлшықеттердегі әрекет потенциалы

Қалыпты қаңқа бұлшық жасушасындағы әрекет потенциалы нейрондардағы әрекет потенциалына ұқсас. Әрекет потенциалдары жасуша мембранасының (сарколемма) деполяризациясынан туындайды, бұл кернеуге сезімтал натрий каналдарын ашады; олар белсенділігін жояды және мембрана калий иондарының сыртқа қарай ағыны арқылы қайта поляризацияланады. Әрекет потенциалы алдындағы тынығу потенциалы әдетте -90 мВ-қа тең, бұл қалыпты нейрондарға қарағанда сәл теріс. Бұлшықет әрекет потенциалы шамамен 2–4 мс-қа созылады, абсолютті рефрактерлік кезең шамамен 1–3 мс-қа созылады, ал бұлшықет бойымен өткізу жылдамдығы шамамен 5 м/с-қа жетеді. Әрекет потенциалы кальций иондарын босатады, олар тропомиозинды босатып, бұлшықеттің жирылуына мүмкіндік береді. Бұлшықет әрекет потенциалдары нейромысақтық қосылыстағы пресинаптық нейрондық әрекет потенциалының келуімен шақырылады, бұл нейротоксиндердің жиі кездесетін нысаны болып табылады. Бұлшықеттер де электрлік тұрғыдан қоздырылады. Жануарлардың әрекет потенциалынан негізгі айырмашылығы – өсімдік жасушаларындағы деполяризация оң натрий иондарын қабылдау арқылы емес, теріс хлорид иондарын босату арқылы жүзеге асырылады. 1906 жылы Дж.С. Боз өсімдіктердегі әрекет потенциалын алғаш рет өлшеді, оны бұрын Бурдон Сандерсон мен Дарвин ашқан болатын. Цитоплазмалық кальций иондарының артуы жасушаға аниондардың шығуына себеп болуы мүмкін. Бұл кальцийді иондық қозғалыстардың, мысалы, арпа жапырақтарында байқалатын теріс хлорид иондарының ағыны және оң калий иондарының шығуы сияқты, алдын ала белгісі етеді. Кальций иондарының бастапқы ағыны сондай-ақ жасушаның шағын деполяризациясына әкеледі, бұл кернеуге сезімтал иондық каналдардың ашылуына және хлорид иондары арқылы толық деполяризацияның таралуына мүмкіндік береді. Кейбір өсімдіктер (мысалы, Dionaea muscipula) өсімдік қозғалысын басқару және қозғалыс шегіне жетуін анықтау үшін ынталандыру оқиғаларын "сақтау" үшін натрийге сезімтал каналдарды пайдаланады. Дионаэа мускупула, сондай-ақ Венера шыбықжемісі деп те аталады, Солтүстік және Оңтүстік Каролинаның субтропиктік батпақты жерлерінде кездеседі. Топырақта қоректік заттар жетіспесе, шыбықжемісі жәндіктер мен жануарлардың диетасына сенеді. Өсімдіктерді зерттеуге қарамастан, Венера шыбықжемісінің молекулалық негізі және жалпы етшіл өсімдіктердің түсінігі жетіспейді. Дегенмен, Венера шыбықжемісіндегі әрекет потенциалдары мен олардың қозғалысқа және сағат механизміне қалай әсер ететіні туралы көптеген зерттеулер жүргізілді. Бастапқыда, Венера шыбықжемісінің тынығу мембраналық потенциалы (-120 мВ) жануарлар жасушаларынан төмен (әдетте -90 мВ-тан -40 мВ-қа дейін). Төменгі тынығу потенциалы әрекет потенциалын белсендіруді жеңілдетеді. Осылайша, шыбықжемістің тұзағына жәндік түскенде, ол түк тәрізді механорецепторды іске қосады. Бұл жасушаға оң кальций иондарының көбеюіне және оны сәл деполяризациялауға әкеледі. Алайда, шыбықжемісі бір рет іске қосылғаннан кейін жабылмайды. Оның орнына екі немесе одан да көп түктің белсенділігі қажет. Бұл құбылыс өсімдіктер мен жануарлардың ортақ жасушалық ата-бабаларындағы тұздылық жағдайларының өзгеруіне байланысты электрлік қозудың осмостық функциясынан пайда болған сияқты. Сонымен қатар, қазіргі уақыттағы жылдам сигнал беру функциясы метазоандық жасушалардың тұрақты осмостық ортадағы жаңа жетістігі ретінде қарастырылады. Кейбір тамырлы өсімдіктердегі (мысалы, Мимоза пудика) әрекет потенциалдарының белгілі сигнал беру функциясы метазоандық қоздырғыш жасушалардағыдан тәуелсіз пайда болған болуы мүмкін. Көтерілу фазасы мен шыңынан айырмашылығы, құлау фазасы және гиперполяризациядан кейін кальций емес катиондарға байланысты болып көрінеді. Реполяризацияны бастау үшін жасуша калийді мембрана арқылы пассивті тасымалдау арқылы жасушадан шығаруын қажет етеді. Бұл нейрондардан ерекшеленеді, өйткені калийдің қозғалысы мембраналық потенциалдың төмендеуіне үлкен үлес қоспайды. Толық реполяризациялау үшін өсімдік жасушасына протондық АТФаза деп аталатын транспортерді пайдалана отырып, жасушадан сутегінің босатылуына көмектесетін АТФ түріндегі энергия қажет. Спанждер көпжасушалы эукариоттардың негізгі типі болып көрінеді, олар әрекет потенциалын өткізбейді, дегенмен кейбір зерттеулер бұл организмдердің де электрлік сигналдану формасы бар екенін көрсетті. Тынығу потенциалы, сондай-ақ әрекет потенциалының мөлшері мен ұзақтығы эволюциямен көп өзгерген жоқ, бірақ өткізу жылдамдығы аксон диаметрімен және миелинмен күрт өзгереді. + Әрекет потенциалдарының (АП) жануарлардың өкілдік тікелей қимасымен салыстыруы Жануар Жасуша түрі Тынығу потенциалы (мВ) АП ұлғаюы (мВ) АП ұзақтығы (мс) Өткізу жылдамдығы (м/с) Кальмар (Loligo) Гигант аксон −60 120 0,75 35 Жер құрты (Lumbricus) Орталық гигант талшық −70 100 1,0 30 Тарақан (Periplaneta) Гигант талшық −70 80–104 0,4 10 Бақа (Rana) Sciatic нерв аксоны −60 to −80 110–130 1,0 7–30 Мысық (Felis) Жұлын моторлық нейроны −55 to −80 80–110 1–1,5 30–120

The action potential in a normal skeletal muscle cell is similar to the action potential in neurons. Action potentials result from the depolarization of the cell membrane (the sarcolemma), which opens voltage sensitive sodium channels; these become inactivated and the membrane is repolarized through the outward current of potassium ions. The resting potential prior to the action potential is typically −90mV, somewhat more negative than typical neurons. The muscle action potential lasts roughly 2–4 ms, the absolute refractory period is roughly 1–3 ms, and the conduction velocity along the muscle is roughly 5 m/s. The action potential releases calcium ions that free up the tropomyosin and allow the muscle to contract. Muscle action potentials are provoked by the arrival of a pre synaptic neuronal action potential at the neuromuscular junction, which is a common target for neurotoxins. are also electrically excitable. The fundamental difference from animal action potentials is that the depolarization in plant cells is not accomplished by an uptake of positive sodium ions, but by release of negative chloride ions. In 1906, J. C. Bose published the first measurements of action potentials in plants, which had previously been discovered by Burdon Sanderson and Darwin. An increase in cytoplasmic calcium ions may be the cause of anion release into the cell. This makes calcium a precursor to ion movements, such as the influx of negative chloride ions and efflux of positive potassium ions, as seen in barley leaves. The initial influx of calcium ions also poses a small cellular depolarization, causing the voltage gated ion channels to open and allowing full depolarization to be propagated by chloride ions. Some plants (e. g. Dionaea muscipula) use sodium gated channels to operate plant movements and "count" stimulation events to determine if a threshold for movement is met. Dionaea muscipula, also known as the Venus flytrap, is found in subtropical wetlands in North and South Carolina. When there are poor soil nutrients, the flytrap relies on a diet of insects and animals. Despite research on the plant, there lacks an understanding behind the molecular basis to the Venus flytraps, and carnivore plants in general. However, plenty of research has been done on action potentials and how they affect movement and clockwork within the Venus flytrap. To start, the resting membrane potential of the Venus flytrap (−120 mV) is lower than animal cells (usually −90 mV to −40 mV). The lower resting potential makes it easier to activate an action potential. Thus, when an insect lands on the trap of the plant, it triggers a hair like mechanoreceptor. This causes an increase of positive calcium ions into the cell, slightly depolarizing it. However, the flytrap does not close after one trigger. Instead, it requires the activation of two or more hairs. appears to have arisen from an osmotic function of electrical excitability in a common unicellular ancestors of plants and animals under changing salinity conditions. Further, the present function of rapid signal transmission is seen as a newer accomplishment of metazoan cells in a more stable osmotic environment. It is likely that the familiar signaling function of action potentials in some vascular plants (e. g. Mimosa pudica) arose independently from that in metazoan excitable cells. Unlike the rising phase and peak, the falling phase and after hyperpolarization seem to depend primarily on cations that are not calcium. To initiate repolarization, the cell requires movement of potassium out of the cell through passive transportation on the membrane. This differs from neurons because the movement of potassium does not dominate the decrease in membrane potential. To fully repolarize, a plant cell requires energy in the form of ATP to assist in the release of hydrogen from the cell – utilizing a transporter called proton ATPase. Sponges seem to be the main phylum of multicellular eukaryotes that does not transmit action potentials, although some studies have suggested that these organisms have a form of electrical signaling, too. The resting potential, as well as the size and duration of the action potential, have not varied much with evolution, although the conduction velocity does vary dramatically with axonal diameter and myelination. + Comparison of action potentials (APs) from a representative cross section of animals Animal Cell type Resting potential (mV) AP increase (mV) AP duration (ms) Conduction speed (m/s) Squid (Loligo) Giant axon −60 120 0.75 35 Earthworm (Lumbricus) Median giant fiber −70 100 1.0 30 Cockroach (Periplaneta) Giant fiber −70 80–104 0.4 10 Frog (Rana) Sciatic nerve axon −60 to −80 110–130 1.0 7–30 Cat (Felis) Spinal motor neuron −55 to −80 80–110 1–1.5 30–120

Эволюция бойында сақталуына байланысты, әрекет потенциалы эволюциялық артықшылықтар беретін сияқты. Әрекет потенциалдарының бір функциясы – организм ішіндегі жылдам, алысқа таралатын сигнал беру; өткізу жылдамдығы 110 м/с-тан асып, бұл дыбыс жылдамдығының үштен бірін құрайды. Салыстыру үшін, қан ағынында тасымалданатын гормон молекуласы ірі артерияларда шамамен 8 м/с жылдамдықпен қозғалады. Бұл функцияның бір бөлігі – жүрек жирылуы сияқты механикалық оқиғалардың тығыз координациясы. Екінші функция – оның пайда болуымен байланысты есептеулер. Аралық сигнал болғандықтан және таралу қашықтығымен азайғысыз, әрекет потенциалы цифрлік электроникаға ұқсас артықшылықтарға ие. Аксон төбесіндегі әртүрлі дендриттік сигналдардың интеграциясы және күрделі әрекет потенциалдары тізбегін құру үшін оның шегінен өтуі – есептеудің тағы бір түрі, оны биологиялық түрде орталық үлгі генераторларын құру үшін пайдаланған және жасанды нейрондық желілерде көшірген. Шамамен төрт миллиард жыл бұрын өмір сүрген ортақ прокариоттық/эукариоттық ата-баба кернеуге сезімтал каналдарға ие болған деп саналады. Бұл функционалдық мүмкіндік кейінірек байланыс механизмін қамтамасыз ету үшін пайдаланылған болуы мүмкін. Тіпті қазіргі кездегі бір жасушалы бактериялар басқа бактериялармен бірге биофильмде байланысу үшін әрекет потенциалын пайдалана алады.

Эксперименттік әдістер

Акциялық потенциалды зерттеу жаңа тәжірибелік әдістерді қажет етті. Алғашқы жұмыстар 1955 жылға дейін негізінен Алан Ллойд Ходжкин мен Эндрю Филдинг Хаксли тарапынан жүргізілді, олар Джон Кэрью Экклзбен бірге 1963 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын жүйке өткізілімінің иондық негізін сипаттауға қосқан үлесі үшін алды. Оның үш мақсаты болды: жеке нейрон немесе аксоннан сигналды бөліп алу, жылдам, сезімтал электроника жасау және бір жасушаның ішіндегі кернеуді тіркеуге жететін электродтарды кішірейту. Бірінші мәселе кальмардың (Loligo forbesii және Doryteuthis pealeii, сол кезде Loligo pealeii деп жіктелетін) нейрондарында табылған алып аксондарды зерттеу арқылы шешілді. Бұл аксондардың диаметрі өте үлкен (шамамен 1 мм, немесе әдеттегі нейроннан 100 есе үлкен), сондықтан оларды қарумен көруге болады, осылайша оларды алу және манипуляциялау оңай. Дегенмен, олар барлық қозуға қабілетті жасушаларды көрсетпейді, және көптеген басқа да акциялық потенциалы бар жүйелер зерттелді. Екінші мәселе маңызды кернеу тірегінің дамуымен шешілді, бұл тәжірибешілерге акциялық потенциалдың негізіндегі иондық тоқтарды оқшаулап зерттеуге және электрондық шудың маңызды көзін – мембрана сыйымдылығы C-мен байланысты ток IC-ді жоюға мүмкіндік берді. Ток C-ға мембраналық кернеудің Vm өзгеру жылдамдығына көбейтілгеніне байланысты, шешім мембрана арқылы өтетін тоқтарға қарамастан Vm-ді тұрақты (өзгеріс жылдамдығы нөлдік) ұстайтын тізбекті жобалау болды. Осылайша, Vm-ді тұрақты мәнде ұстау үшін қажетті ток мембрана арқылы өтетін ток тікелей көрсеткіші болып табылады. Электрондық жетістіктердің арасында Фарадей клеткаларын және жоғары кіріс кедергісі бар электрониканы қолдану болды, сондықтан өлшеудің өзі өлшенетін кернеуге әсер етпейді. Үшінші мәселе – бір аксонның ішіндегі кернеуді бұзбай жазу үшін жеткілікті кішкентай электродтар алу – 1949 жылы шыны микропипетка электродының ойлап табылуымен шешілді, оны басқа зерттеушілер жылдам қабылдады. Бұл әдістің жетілдірілуі 100 Å (10 нм) дейін электрод ұшын жасауға мүмкіндік береді, бұл да жоғары кіріс кедергісін қамтамасыз етеді. Акциялық потенциалдар сондай-ақ нейронның жанына орналасқан кішкентай металл электродтармен, EOSFET-тері бар нейрочиптермен немесе Ca2+ немесе кернеуге сезімтал бояғыштармен оптикалық түрде тіркелуі мүмкін. Шыны микропипетка электроды көптеген иондық каналдар арқылы өтетін тоқтардың қосындысын өлшесе, жеке иондық каналдың электрлік қасиеттерін зерттеу 1970 жылдары Эрвин Негер мен Берт Сакманның патч-қысқышты жасауымен мүмкін болды. Олар осы жаңалық үшін 1991 жылы физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды. Патч-қысқыш иондық каналдардың ашық, жабық және белсенді емес сияқты дискретті өткізгіштік күйлеріне ие екенін растады. Соңғы жылдары акциялық потенциалды өлшеу үшін бір мезгілде көп жерден жазулар немесе ультра кеңістіктік ажыратымдылық арқылы оптикалық бейнелеу технологиялары жасалды. Кернеуге сезімтал бояғыштарды қолдану арқылы кардиомиоциттердің мембранасының кішкентай бөлігінен акциялық потенциал оптикалық түрде тіркелді.

The study of action potentials has required the development of new experimental methods. The initial work, prior to 1955, was carried out primarily by Alan Lloyd Hodgkin and Andrew Fielding Huxley, who were, along John Carew Eccles, awarded the 1963 Nobel Prize in Physiology or Medicine for their contribution to the description of the ionic basis of nerve conduction. It focused on three goals: isolating signals from single neurons or axons, developing fast, sensitive electronics, and shrinking electrodes enough that the voltage inside a single cell could be recorded. The first problem was solved by studying the giant axons found in the neurons of the squid (Loligo forbesii and Doryteuthis pealeii, at the time classified as Loligo pealeii). These axons are so large in diameter (roughly 1 mm, or 100 fold larger than a typical neuron) that they can be seen with the naked eye, making them easy to extract and manipulate. However, they are not representative of all excitable cells, and numerous other systems with action potentials have been studied. The second problem was addressed with the crucial development of the voltage clamp, which permitted experimenters to study the ionic currents underlying an action potential in isolation, and eliminated a key source of electronic noise, the current IC associated with the capacitance C of the membrane. Since the current equals C times the rate of change of the transmembrane voltage Vm, the solution was to design a circuit that kept Vm fixed (zero rate of change) regardless of the currents flowing across the membrane. Thus, the current required to keep Vm at a fixed value is a direct reflection of the current flowing through the membrane. Other electronic advances included the use of Faraday cages and electronics with high input impedance, so that the measurement itself did not affect the voltage being measured. The third problem, that of obtaining electrodes small enough to record voltages within a single axon without perturbing it, was solved in 1949 with the invention of the glass micropipette electrode, which was quickly adopted by other researchers. Refinements of this method are able to produce electrode tips that are as fine as 100 Å (10 nm), which also confers high input impedance. Action potentials may also be recorded with small metal electrodes placed just next to a neuron, with neurochips containing EOSFETs, or optically with dyes that are sensitive to Ca2+ or to voltage. While glass micropipette electrodes measure the sum of the currents passing through many ion channels, studying the electrical properties of a single ion channel became possible in the 1970s with the development of the patch clamp by Erwin Neher and Bert Sakmann. For this discovery, they were awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1991. Patch clamping verified that ionic channels have discrete states of conductance, such as open, closed and inactivated. Optical imaging technologies have been developed in recent years to measure action potentials, either via simultaneous multisite recordings or with ultra spatial resolution. Using voltage sensitive dyes, action potentials have been optically recorded from a tiny patch of cardiomyocyte membrane.

Нейротоксиндер

Бірнеше нейротоксиндер, табиғи да, синтетикалық та, әсер ету потенциалын тоқтату үшін жасалған. Пуфербалық балықтан алынған тетродотоксин және "қызыл толқын" құбылысына жауапты динофлагелляттар туысы "Gonyaulax" -тан алынған сакситоксин, кернеуге сезімтал натрий арнасын тежеу арқылы әсер ету потенциалын бұзады; сондай-ақ, қара мамба жыланының дендротоксині кернеуге сезімтал калий арнасын тежейді. Иондық арналардың мұндай тежегіштері ғалымдарға нақты арналарды қалауынша "өшіруге" және басқа арналардың әсерін анықтауға мүмкіндік береді; олар сондай-ақ иондық арналарды аффиндік хроматография арқылы тазартуға немесе олардың концентрациясын анықтауға пайдалы болуы мүмкін. Дегенмен, мұндай тежегіштер тиімді нейротоксиндер болып табылады және оларды химиялық қару ретінде қолдану мүмкіндігі қарастырылған. Жәндіктердің иондық арналарына бағытталған нейротоксиндер тиімді инсектицидтер болып табылады; мысалы, синтетикалық перметрин, әсер ету потенциалына қатысатын натрий арналарының белсенділігін ұзартады. Жәндіктердің иондық арналары адамдардың арналарынан жеткілікті түрде ерекшеленеді, сондықтан адамдарда жанама әсерлердің саны аз.

Тарих

Электрдің жануарлардың жүйке жүйесіндегі рөлін алғаш рет 1791 жылдан 1797 жылға дейін зерттеген Луиджи Гальвани кесілген бақаларда байқаған. Гальванидің нәтижелері Алессандро Вольтаны Вольттік батареяны – ең алғашқы белгілі электр батареясын жасауға ынталандырды, ол жануарлардың электр қуатын (мысалы, электр балығы) және қолданылатын тұрақты ток кернеулеріне физиологиялық жауаптарды зерттеді. 19 ғасырда ғалымдар электр сигналдарының толыққанды жүйкелерде (яғни нейрондар шоғырында) таралуын зерттеді және жүйке тінінің бір-бірімен байланысты түтікшелер желісі (торшасы) емес, жасушалардан тұратынын көрсетті. Карло Маттеучи Гальванидің зерттеулерін жалғастырып, зақымдалған жүйкелер мен бұлшық еттерінің бақаларда тұрақты ток тудыра алатынын көрсетті. Маттеучидің жұмысы неміс физиологы Эмиль дю Буа Реймондты 1843 жылы бұлшықеттер мен жүйке препараттарын стимуляциялау олардың тынығу тогының айтарлықтай төмендеуін анықтаған, осылайша ол әрекеттік потенциалдың электрлік табиғатын анықтаған алғашқы зерттеуші болды. Әрекеттік потенциалдардың өткізгіштік жылдамдығын 1850 жылы дю Буа Реймондтың досы Герман фон Гельмгольц өлшеді. Электрофизиологиядағы прогресс химиялық теория мен тәжірибелік практиканың шектеулеріне байланысты тоқтап қалды. Нейрондардың сан алуан пішіндерін анықтау үшін испан дәрігері Сантьяго Рамон и Кахал және оның шәкірттері Камилло Гольги жасаған бояуды пайдаланды. Олардың бұл жаңалықтары үшін Гольги мен Рамон и Кахал 1906 жылы физиология саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. Олардың жұмысы 19 ғасырдағы нейроанатомиядағы ұзаққа созылған дауды шешті; Гольгидің өзі жүйке жүйесінің торлық моделін жақтады. 20 ғасырда электрофизиологияда маңызды табыстарға қол жеткізілді. 1902 және 1912 жылдары Джулиус Бернштейн әрекеттік потенциал аксондық мембрананың иондарға қатысты өткізгіштігінің өзгеруінен туындайды деген гипотезаны алға тартты. Бернштейннің гипотезасын Кен Коул мен Говард Кертис растады, олар мембрана өткізгіштігінің әрекеттік потенциал кезінде артатынын көрсетті. 1907 жылы Луи Лапикк әрекеттік потенциал шекті мәннен асқанда пайда болады деп ұсынды, бұл кейіннен иондық өткізгіштіктің динамикалық жүйелерінің нәтижесі ретінде көрсетілді. 1949 жылы Алан Ходжкин мен Бернард Кац аксондық мембрананың әртүрлі иондарға қатысты әртүрлі өткізгіштікке ие болуы мүмкін екенін ескере отырып, Бернштейннің гипотезасын жетілдірді; атап айтқанда, олар натрий өткізгіштігінің әрекеттік потенциал үшін маңызды рөлін көрсетті. Олар нейрондық мембранадағы электрлік өзгерістертің алғашқы тіркелмесін жасады, олар әрекеттік потенциалды реттейді. Бұл зерттеу желісі 1952 жылы Ходжкин, Кац және Эндрю Хакслидің бес мақаласында аяқталды, онда олар аксоналдық мембрананың натрий мен калий иондарына қатысты өткізгіштігінің кернеуге және уақытқа тәуелділігін анықтау үшін кернеулі қысқыш техникасын қолданды, осылайша олар әрекеттік потенциалды сандық түрде қайта құруға мүмкіндік алды. Ходжкин мен Хаксли өздерінің математикалық моделінің қасиеттерін "ашық", "жабық" және "белсенді емес" сияқты бірнеше күйде бола алатын дискретті иондық арналармен байланыстырды. Олардың гипотезалары 1970-1980 жылдары ортасында Эрвин Нехер мен Берт Сакман растады, олар жеке иондық арналардың өткізгіштік күйлерін зерттеу үшін патч-құбысқан техникасын жасады. 21 ғасырда зерттеушілер осы өткізгіштік күйлердің және олардың ион түрлеріне қатысты арналардың таңдамалылығының құрылымдық негізін атомдық ажыратымдылықтағы кристаллдық құрылымдар, флуоресценттік қашықтық өлшеулері және криоэлектрондық микроскопиялық зерттеулер арқылы түсіне бастады. Джулиус Бернштейн сонымен қатар мембрана арқылы тынығу потенциалы үшін Нернст теңдеуін алғаш рет енгізді; бұл 1943 жылы Дэвид Э. Голдманмен Голдман теңдеуіне жалпыланды. 1957 жылы натрий-калий сорғысы анықталды және оның қасиеттері біртіндеп анықталды, оның атомдық ажыратымдылықтағы құрылымын рентгендік кристаллграфия арқылы анықтаумен аяқталды. Осы молекулалық машиналардың қалай жұмыс істейтіні туралы кеңірек түсінік беру үшін осыған байланысты иондық сорғылардың кристаллдық құрылымдары да шешілді.

The role of electricity in the nervous systems of animals was first observed in dissected frogs by Luigi Galvani, who studied it from 1791 to 1797. Galvani's results inspired Alessandro Volta to develop the Voltaic pile—the earliest known electric battery—with which he studied animal electricity (such as electric eels) and the physiological responses to applied direct current voltages. In the 19th century scientists studied the propagation of electrical signals in whole nerves (i. e., bundles of neurons) and demonstrated that nervous tissue was made up of cells, instead of an interconnected network of tubes (a reticulum). Carlo Matteucci followed up Galvani's studies and demonstrated that injured nerves and muscles in frogs could produce direct current. Matteucci's work inspired the German physiologist, Emil du Bois Reymond, who discovered in 1843 that stimulating these muscle and nerve preparations produced a notable diminution in their resting currents, making him the first researcher to identify the electrical nature of the action potential. The conduction velocity of action potentials was then measured in 1850 by du Bois Reymond's friend, Hermann von Helmholtz. Progress in electrophysiology stagnated thereafter due to the limitations of chemical theory and experimental practice. To establish that nervous tissue is made up of discrete cells, the Spanish physician Santiago Ramón y Cajal and his students used a stain developed by Camillo Golgi to reveal the myriad shapes of neurons, which they rendered painstakingly. For their discoveries, Golgi and Ramón y Cajal were awarded the 1906 Nobel Prize in Physiology. Their work resolved a long standing controversy in the neuroanatomy of the 19th century; Golgi himself had argued for the network model of the nervous system. The 20th century saw significant breakthroughs in electrophysiology. In 1902 and again in 1912, Julius Bernstein advanced the hypothesis that the action potential resulted from a change in the permeability of the axonal membrane to ions. Bernstein's hypothesis was confirmed by Ken Cole and Howard Curtis, who showed that membrane conductance increases during an action potential. In 1907, Louis Lapicque suggested that the action potential was generated as a threshold was crossed, what would be later shown as a product of the dynamical systems of ionic conductances. In 1949, Alan Hodgkin and Bernard Katz refined Bernstein's hypothesis by considering that the axonal membrane might have different permeabilities to different ions; in particular, they demonstrated the crucial role of the sodium permeability for the action potential. They made the first actual recording of the electrical changes across the neuronal membrane that mediate the action potential. This line of research culminated in the five 1952 papers of Hodgkin, Katz and Andrew Huxley, in which they applied the voltage clamp technique to determine the dependence of the axonal membrane's permeabilities to sodium and potassium ions on voltage and time, from which they were able to reconstruct the action potential quantitatively. Hodgkin and Huxley correlated the properties of their mathematical model with discrete ion channels that could exist in several different states, including "open", "closed", and "inactivated". Their hypotheses were confirmed in the mid 1970s and 1980s by Erwin Neher and Bert Sakmann, who developed the technique of patch clamping to examine the conductance states of individual ion channels. In the 21st century, researchers are beginning to understand the structural basis for these conductance states and for the selectivity of channels for their species of ion, through the atomic resolution crystal structures, fluorescence distance measurements and cryo electron microscopy studies. Julius Bernstein was also the first to introduce the Nernst equation for resting potential across the membrane; this was generalized by David E. Goldman to the eponymous Goldman equation in 1943. The sodium–potassium pump was identified in 1957 and its properties gradually elucidated, culminating in the determination of its atomic resolution structure by X ray crystallography. The crystal structures of related ionic pumps have also been solved, giving a broader view of how these molecular machines work.

Санаттық модельдер

Математикалық және есептеу модельдері әрекет әлеуетін түсіну үшін өте маңызды, сондай-ақ эксперименттік деректермен салыстырылатын болжамдар ұсынады, бұл теорияның қатаң сынағын қамтамасыз етеді. Ертедегі нейрондық модельдердің ең маңыздысы және дәлдігі – Ходжкин-Хаксли моделі, ол төрт байланысқан дифференциалдық теңдеулер (ДТ) жиынтығы арқылы әрекет әлеуетін сипаттайды. Табиғаттағы нақты жүйке мембранасымен салыстырғанда, оның күрделілігі Morris-Lecar және FitzHugh-Nagumo модельдері сияқты, одан да қарапайым модельдерді тудырды, олардың әрқайсысында тек екі байланысқан ДТ бар. Ходжкин-Хаксли және FitzHugh-Nagumo модельдерінің, сондай-ақ Бонхоффер-Ван дер Пол моделі сияқты туысқандары математика, есептеу және электроника салаларында кеңінен зерттелген. Дегенмен, генераторлық потенциал мен әрекет әлеуетінің қарапайым модельдері, әсіресе Пачиний корпускулы сияқты механорецепторлар үшін, шектік нервтік импульс жиілігі мен импульс пішінін дәл қайталай алмайды. Қазіргі зерттеулер үлкен және интеграцияланған жүйелерге бағытталған; әрекет әлеуеті модельдерін жүйке жүйесінің басқа бөліктерінің модельдерімен (мысалы, дендриттер және синапстар) біріктіру арқылы зерттеушілер нейрондық есептеуді және қарапайым рефлекстерді, мысалы, қашу рефлекстерін және орталық үлгі генераторларымен басқарылатын рефлекстерді зерттей алады.