Пороговый потенциал в нейрофизиологии: механизмы и значение.

Введение

Критический потенциал

В электрофизиологии пороговый потенциал – это критический уровень, до которого необходимо деполяризовать мембранный потенциал для запуска потенциала действия. В нейробиологии пороговые потенциалы необходимы для регуляции и распространения сигналов как в центральной нервной системе (ЦНС), так и в периферической нервной системе (ПНС). Чаще всего пороговый потенциал составляет значение мембранного потенциала от –50 до –55 мВ, но может изменяться в зависимости от ряда факторов. Потенциал мембраны покоя нейрона (–70 мВ) может быть изменен для повышения или понижения вероятности достижения порога посредством ионов натрия и калия. Приток натрия в клетку через открытые воротные натриевые каналы может деполяризовать мембрану, превысив порог, и тем самым возбудить ее, в то время как отток калия или приток хлорида может гиперполяризовать клетку и, следовательно, препятствовать достижению порога.

Открытие

Первоначальные эксперименты были основаны на предположении, что любое электрическое изменение в нейронах должно происходить посредством действия ионов. Немецкий физико-химик Вальтер Нернст применил эту концепцию в экспериментах по изучению нервной возбудимости и пришел к выводу, что локальный возбуждающий процесс через полупроницаемую мембрану зависит от ионной концентрации. Также было показано, что ионная концентрация является лимитирующим фактором возбуждения. Если достигалась необходимая концентрация ионов, возбуждение обязательно наступало. Это стало основой для определения порогового значения. Параллельно с реконструкцией потенциала действия в 1950-х годах, Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли экспериментально определили механизм, лежащий в основе порога возбуждения, известный как модель Ходжкина–Хаксли. Используя метод фиксации напряжения на гигантском аксоне кальмара, они обнаружили, что возбудимые ткани обычно демонстрируют явление, при котором для генерации потенциала действия необходимо достижение определенного мембранного потенциала. Поскольку эксперимент дал результаты благодаря наблюдению за изменениями ионной проводимости, Ходжкин и Хаксли использовали эти термины для обсуждения порогового потенциала. Изначально они предположили, что должна существовать разрывная зависимость проводимости натрия или калия, однако в действительности обе проводимости плавно изменялись вместе с мембранным потенциалом. Вскоре они обнаружили, что при пороговом потенциале входящий ток ионов натрия и выходящий ток ионов калия были точно равны и противоположны по направлению. В отличие от потенциала покоя, условия порогового потенциала характеризовались нестабильным балансом токов. Нестабильность заключается в том, что любая дальнейшая деполяризация активирует еще большее количество натриевых каналов, чувствительных к напряжению, и входящий деполяризующий ток натрия преодолевает запаздывающий выходящий ток калия. При потенциале покоя, напротив, токи калия и натрия равны и противоположны, находясь в стабильном состоянии, и внезапный, непрерывный поток ионов не должен возникать. Суть в том, что при определенном уровне деполяризации, когда токи равны и противоположны, но нестабильны, любое дальнейшее поступление положительного заряда генерирует потенциал действия. Это конкретное значение деполяризации (в мВ) также известно как пороговый потенциал.

Initial experiments revolved around the concept that any electrical change that is brought about in neurons must occur through the action of ions. The German physical chemist Walther Nernst applied this concept in experiments to discover nervous excitability, and concluded that the local excitatory process through a semi permeable membrane depends upon the ionic concentration. Also, ion concentration was shown to be the limiting factor in excitation. If the proper concentration of ions was attained, excitation would certainly occur. This was the basis for discovering the threshold value. Along with reconstructing the action potential in the 1950s, Alan Lloyd Hodgkin and Andrew Huxley were also able to experimentally determine the mechanism behind the threshold for excitation. It is known as the Hodgkin–Huxley model. Through use of voltage clamp techniques on a squid giant axon, they discovered that excitable tissues generally exhibit the phenomenon that a certain membrane potential must be reached in order to fire an action potential. Since the experiment yielded results through the observation of ionic conductance changes, Hodgkin and Huxley used these terms to discuss the threshold potential. They initially suggested that there must be a discontinuity in the conductance of either sodium or potassium, but in reality both conductances tended to vary smoothly along with the membrane potential. They soon discovered that at threshold potential, the inward and outward currents, of sodium and potassium ions respectively, were exactly equal and opposite. As opposed to the resting membrane potential, the threshold potential's conditions exhibited a balance of currents that were unstable. Instability refers to the fact that any further depolarization activates even more voltage gated sodium channels, and the incoming sodium depolarizing current overcomes the delayed outward current of potassium. At resting level, on the other hand, the potassium and sodium currents are equal and opposite in a stable manner, where a sudden, continuous flow of ions should not result. The basis is that at a certain level of depolarization, when the currents are equal and opposite in an unstable manner, any further entry of positive charge generates an action potential. This specific value of depolarization (in mV) is otherwise known as the threshold potential.

Физиологическая функция и характеристики

Пороговое значение контролирует, достаточно ли входящих стимулов для генерации потенциала действия. Оно основано на балансе входящих тормозных и возбуждающих стимулов. Потенциалы, генерируемые стимулами, суммируются, и могут достигать порога в зависимости от их частоты и амплитуды. Нормальное функционирование центральной нервной системы предполагает суммирование синаптических входов, преимущественно на дендритном дереве нейрона. Эти локальные градиентные потенциалы, в основном связанные с внешними стимулами, достигают начального сегмента аксона и нарастают, пока не достигнут порогового значения. Чем сильнее стимул, тем больше деполяризация, или попытка достичь порога. Для деполяризации требуется несколько ключевых этапов, зависящих от анатомических особенностей клетки. Ионная проводимость зависит от потенциала мембраны, а также от времени, прошедшего после изменения потенциала мембраны.

Потенциал мембраны в состоянии покоя

Двухслойный фосфолипид клеточной мембраны сам по себе практически непроницаем для ионов. Полная структура клеточной мембраны включает множество белков, встроенных в липидный бислой или полностью его пересекающих. Некоторые из этих белков обеспечивают высокоспецифичный транспорт ионов, – ионные каналы. Калийные каналы утечки позволяют калию перемещаться через мембрану в ответ на разницу в концентрациях калия внутри клетки (высокая концентрация) и снаружи (низкая). Выход положительных (+) зарядов ионов калия (K+) изнутри клетки приводит к возникновению отрицательного потенциала внутри по сравнению с внеклеточной поверхностью мембраны. Незначительная "утечка" натрия (Na+) внутрь клетки обуславливает то, что фактический потенциал покоя, около –70 мВ, менее отрицателен, чем рассчитанный потенциал только для K+, потенциал равновесия, около –90 мВ. Натрий-калиевый АТФаза – это активный транспортер в мембране, который перекачивает калий (2 иона) обратно в клетку и натрий (3 иона) из клетки, поддерживая концентрацию обоих ионов и сохраняя поляризацию напряжения.

Деполяризация

Однако, как только стимул активирует натриевые каналы, зависимые от напряжения, для открытия, положительные ионы натрия устремляются внутрь клетки, и напряжение возрастает. Этот процесс также может быть инициирован связыванием лиганда или нейромедиатора с лигандо-зависимым каналом. Концентрация натрия вне клетки выше, чем внутри, и положительный заряд внутри клетки способствует выходу ионов калия через калийные каналы с задержкой выпрямления, зависимые от напряжения. Поскольку калийные каналы в клеточной мембране открываются с задержкой, любое дальнейшее поступление натрия активирует все большее количество натриевых каналов, зависимых от напряжения. Деполяризация, превышающая пороговое значение, приводит к увеличению проводимости для Na, достаточной для того, чтобы входящий поток натрия немедленно превзошел исходящий поток калия. Если приток ионов натрия не достигает порогового значения, то проводимость натрия не увеличивается в достаточной степени, чтобы преодолеть проводимость калия в состоянии покоя. В этом случае в некоторых типах нейронов наблюдаются колебания мембранного потенциала ниже порогового значения. В случае успеха, внезапный приток положительного заряда деполяризует мембрану, а восстановление, или гиперполяризация, клетки калием задерживается. Приток натрия деполяризует клетку, стремясь установить свой собственный потенциал равновесия (около +52 мВ), делая внутреннюю часть клетки более положительной относительно внешней среды.

Вариации

Значение порога может варьироваться в зависимости от множества факторов. Изменения в ионной проводимости натрия или калия могут приводить к повышению или понижению порогового значения. Кроме того, диаметр аксона, плотность вольтаж-зависимых натриевых каналов и свойства натриевых каналов внутри аксона влияют на пороговое значение. Как правило, в аксоне или дендрите присутствуют небольшие деполяризующие или гиперполяризующие сигналы, возникающие в результате предшествующей стимуляции. Пассивное распространение этих сигналов зависит от пассивных электрических свойств клетки. Сигналы могут продолжать распространяться вдоль нейрона, вызывая потенциал действия в дальнейшем, только если они достаточно сильны, чтобы преодолеть сопротивление и емкость мембраны клетки. Например, нейрон с большим диаметром имеет больше ионных каналов в своей мембране, чем нейрон меньшего размера, что приводит к меньшему сопротивлению потоку ионного тока. Ток распространяется быстрее в клетке с меньшим сопротивлением и с большей вероятностью достигает порога в других участках нейрона. Экспериментально также было показано, что пороговый потенциал может адаптироваться к медленным изменениям входных характеристик путем регуляции плотности натриевых каналов, а также общей инактивации этих натриевых каналов. Гиперполяризация, вызванная калиевыми каналами с запаздывающим выпрямлением, вызывает относительный рефрактерный период, который значительно затрудняет достижение порога. Калиевые каналы с запаздывающим выпрямлением отвечают за позднюю фазу реполяризации потенциала действия, открываясь при другом вольтаже по сравнению с быстро активируемыми натриевыми каналами. Они восстанавливают баланс ионов через мембрану, открываясь и позволяя калию течь по градиенту концентрации изнутри клетки наружу. Они также медленно закрываются, что приводит к выходу положительного заряда, превышающему необходимый для поддержания баланса. Это вызывает избыточную негативность внутри клетки, требуя чрезвычайно сильной стимуляции и последующей деполяризации для возникновения ответа.

The value of threshold can vary according to numerous factors. Changes in the ion conductances of sodium or potassium can lead to either a raised or lowered value of threshold. Additionally, the diameter of the axon, density of voltage activated sodium channels, and properties of sodium channels within the axon all affect the threshold value. Typically in the axon or dendrite, there are small depolarizing or hyperpolarizing signals resulting from a prior stimulus. The passive spread of these signals depend on the passive electrical properties of the cell. The signals can only continue along the neuron to cause an action potential further down if they are strong enough to make it past the cell's membrane resistance and capacitance. For example, a neuron with a large diameter has more ionic channels in its membrane than a smaller cell, resulting in a lower resistance to the flow of ionic current. The current spreads quicker in a cell with less resistance, and is more likely to reach the threshold at other portions of the neuron. The threshold potential has also been shown experimentally to adapt to slow changes in input characteristics by regulating sodium channel density as well as inactivating these sodium channels overall. Hyperpolarization by the delayed rectifier potassium channels causes a relative refractory period that makes it much more difficult to reach threshold. The delayed rectifier potassium channels are responsible for the late outward phase of the action potential, where they open at a different voltage stimulus compared to the quickly activated sodium channels. They rectify, or repair, the balance of ions across the membrane by opening and letting potassium flow down its concentration gradient from inside to outside the cell. They close slowly as well, resulting in an outward flow of positive charge that exceeds the balance necessary. It results in excess negativity in the cell, requiring an extremely large stimulus and resulting depolarization to cause a response.

Методы отслеживания

Методы отслеживания порога тестируют возбудимость нерва 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 контрольный порог (или порог покоя) с порогом, вызванным изменением окружающей среды, предшествующим одиночным импульсом, серией импульсов или субпороговым током. Измерение изменений порога может указывать на изменения мембранного потенциала, аксональных свойств и/или целостности миелиновой оболочки. Отслеживание порога позволяет компьютеру регулировать силу тестового стимула для активации определенной доли максимального нервного или мышечного потенциала. Эксперимент по отслеживанию порога состоит в применении к нерву стимула длительностью 1 мс через регулярные интервалы. Потенциал действия регистрируется ниже по течению от запускающего импульса. Стимул автоматически уменьшается ступенями в заданном процентном соотношении, пока ответ не опустится ниже целевого значения (генерация потенциала действия). Затем стимул увеличивается или уменьшается в зависимости от того, был ли предыдущий ответ меньше или больше целевого, пока не будет установлен порог покоя (или контрольный порог). Возбудимость нерва можно изменить, изменяя окружающую среду нерва или применяя дополнительные токи. Поскольку значение одного порогового тока дает мало полезной информации из-за его изменчивости внутри и между субъектами, пары пороговых измерений, сравнивающих контрольный порог с порогами, вызванными рефрактерностью, супернормальностью, постоянной времени силы-продолжительности или "пороговым электротонусом", более полезны в научных и клинических исследованиях. Отслеживание порога имеет преимущества перед другими электрофизиологическими методами, такими как метод постоянного стимула. Этот метод позволяет отслеживать изменения порога в динамическом диапазоне 200% и, как правило, предоставляет больше информации об аксональных свойствах, чем другие тесты. Кроме того, этот метод позволяет присваивать изменениям порога количественное значение, которое, будучи математически преобразованным в процент, может использоваться для сравнения одноволоконных и многоволоконных препаратов, различных нейронных участков и возбудимости нервов у разных видов.

Threshold tracking techniques test nerve excitability, and depend on the properties of axonal membranes and sites of stimulation. They are extremely sensitive to the membrane potential and changes in this potential. These tests can measure and compare a control threshold (or resting threshold) to a threshold produced by a change in the environment, by a preceding single impulse, an impulse train, or a subthreshold current. Measuring changes in threshold can indicate changes in membrane potential, axonal properties, and/or the integrity of the myelin sheath. Threshold tracking allows for the strength of a test stimulus to be adjusted by a computer in order to activate a defined fraction of the maximal nerve or muscle potential. A threshold tracking experiment consists of a 1 ms stimulus being applied to a nerve in regular intervals. The action potential is recorded downstream from the triggering impulse. The stimulus is automatically decreased in steps of a set percentage until the response falls below the target (generation of an action potential). Thereafter, the stimulus is stepped up or down depending on whether the previous response was lesser or greater than the target response until a resting (or control) threshold has been established. Nerve excitability can then be changed by altering the nerve environment or applying additional currents. Since the value of a single threshold current provides little valuable information because it varies within and between subjects, pairs of threshold measurements, comparing the control threshold to thresholds produced by refractoriness, supernormality, strength duration time constant or "threshold electrotonus" are more useful in scientific and clinical study. Tracking threshold has advantages over other electrophysiological techniques, like the constant stimulus method. This technique can track threshold changes within a dynamic range of 200% and in general give more insight into axonal properties than other tests. Also, this technique allows for changes in threshold to be given a quantitative value, which when mathematically converted into a percentage, can be used to compare single fiber and multifiber preparations, different neuronal sites, and nerve excitability in different species.

"Правовой электротун"

Специфической техникой отслеживания порога является пороговый электротонус, который использует установку для отслеживания порога, чтобы создавать длительные субпороговые деполяризующие или гиперполяризующие токи в мембране. Изменения в возбудимости клеток можно наблюдать и регистрировать, создавая эти длительные токи. Снижение порога заметно при выраженной деполяризации, а повышение порога – при выраженной гиперполяризации. При гиперполяризации наблюдается увеличение сопротивления интернодальной мембраны из-за закрытия калиевых каналов, что приводит к "расходящейся" форме графика. Деполяризация оказывает противоположный эффект, активируя калиевые каналы и создавая "сходящуюся" форму графика. 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 выявления характеристик значимых заболеваний, сравнивая влияние этих заболеваний на пороговый потенциал с эффектами, наблюдаемыми в экспериментах. Например, ишемия и деполяризация вызывают одинаковый эффект "схождения" на электротонусных кривых. Это наблюдение позволяет предположить, что ишемия может быть результатом чрезмерной активации калиевых каналов.

Клиническое значение

Роль порогового потенциала была установлена в клиническом контексте, в частности, в функционировании нервной системы и сердечно-сосудистой системы.

Фебрильные припадки

Лихорадочный судорожный приступ, или "фебрильная судорога", – это судорога, связанная со значительным повышением температуры тела, наиболее часто встречающаяся в раннем детстве. Повторяющиеся эпизоды фебрильных судорог в детстве ассоциируются с повышенным риском развития височной эпилепсии во взрослом возрасте. С помощью патч-клэмп регистрации аналогичное состояние было воспроизведено in vitro в кортикальных нейронах крысы после индуцирования лихорадочной температуры тела; наблюдалось заметное снижение порогового потенциала. Механизм этого снижения, возможно, включает подавление ингибирования, опосредованного GABAB-рецептором при чрезмерном воздействии тепла.

БАС и диабет

Отклонения в возбудимости нейронов наблюдаются у пациентов с амиотрофическим боковым склерозом и диабетом. Хотя механизм, в конечном итоге определяющий различия, различается в этих двух состояниях, тесты, основанные на реакции на ишемию, указывают на схожую, парадоксальным образом, устойчивость к ишемии и возникающим парестезиям. Поскольку ишемия развивается из-за ингибирования натрий-калиевого насоса, в возникновении этих явлений замешаны нарушения порогового потенциала.

Аритмия

С 1940-х годов укрепилось понятие диастолической деполяризации, или "потенциала пейсмейкера"; этот механизм является отличительной характеристикой сердечной ткани. Когда достигается порог возбудимости и генерируется потенциал действия, взаимодействие этих процессов приводит к сердцебиению; однако, если сердцебиение происходит нерегулярно, это может привести к потенциально серьезному состоянию, известному как аритмия.

Применение лекарств

Различные лекарственные препараты могут вызывать удлинение интервала QT как побочный эффект. Удлинение этого интервала является следствием задержки инактивации натриевых и кальциевых каналов; при отсутствии надлежащей инактивации каналов пороговый потенциал достигается преждевременно, что повышает риск развития аритмии. Эти препараты, известные как проаритмические агенты, включают антимикробные средства, антипсихотики, метадон и, парадоксальным образом, антиаритмические препараты. Применение таких средств особенно часто встречается в отделениях интенсивной терапии, и следует проявлять особую осторожность при удлинении интервала QT у этих пациентов: аритмии, возникающие в результате удлинения интервала QT, включают потенциально смертельную torsades de pointes, или TdP.

Роль диеты

Диета может являться фактором риска развития аритмии. Полиненасыщенные жирные кислоты, содержащиеся в рыбьем жире и некоторых растительных маслах, играют роль в профилактике аритмий. Подавляя зависимый от напряжения натриевый ток, эти масла смещают порог возбудимости к более положительному значению, в результате чего для возникновения потенциала действия требуется большая степень деполяризации. Клиническое применение этих экстрактов пока остается предметом исследований, однако установлена четкая связь между регулярным употреблением рыбьего жира и снижением частоты госпитализаций по поводу фибрилляции предсердий – тяжелой и все более распространенной аритмии.