Аксонное холмик: структура и функция инициирования потенциала действия

Введение

Часть сомы нейронной клетки, из которой отходит аксон. Аксонный холмик – это специализированная часть тела клетки (или сомы) нейрона, соединяющаяся с аксоном. Его можно идентифицировать с помощью световой микроскопии по внешнему виду и расположению в нейроне, а также по редкому распределению вещества Ниссля. Аксонный холмик является последним участком в соме, где суммируются мембранные потенциалы, распространяющиеся от синаптических входов, перед передачей в аксон. Долгое время считалось, что аксонный холмик является типичным местом инициации потенциалов действия – триггерной зоной. В настоящее время полагают, что самое раннее место инициации потенциала действия находится в аксональном начальном сегменте: непосредственно между вершиной аксонного холмика и начальным (немиелинизированным) сегментом аксона. Однако точка, в которой потенциал действия запускается, варьируется в разных клетках. На неё также может влиять гормональная стимуляция нейрона или вторичные эффекты нейротрансмиттеров. Аксонный холмик также определяет отдельные мембранные домены между телом клетки и аксоном, что позволяет локализовать мембранные белки на аксональной или сомальной стороне клетки.

Структура

Аксонный холмик и начальный сегмент обладают рядом специализированных свойств, обеспечивающих их способность к генерации потенциала действия, включая близость к аксону и значительно более высокую плотность вольтаж-зависимых ионных каналов, чем в остальной части тела клетки. В клетках спинномозговых ганглиев считается, что тело клетки содержит приблизительно 1 вольтаж-зависимый натриевый канал на квадратный микрометр, в то время как аксонный холмик и начальный сегмент аксона содержат около 100–200 таких каналов на квадратный микрометр; для сравнения, узлы Ранвье вдоль аксона, предположительно, содержат около 1000–2000 таких каналов на квадратный микрометр. Такое кластерирование вольтаж-зависимых ионных каналов является следствием взаимодействия белков плазматической мембраны и цитоскелета, таких как анкирин. В электрофизиологических моделях аксонный холмик рассматривается вместе с начальным сегментом аксона, где суммируются мембранные потенциалы, распространяющиеся от синаптических входов к дендритам или телу клетки.

Функция

И ингибирующие постсинаптические потенциалы (IPSPs), и возбуждающие постсинаптические потенциалы (EPSPs) суммируются в аксонном холмике, и как только порог запуска превышен, потенциал действия распространяется по остальной части аксона (и "обратно" к дендритам, как видно при нейронной обратной проприации). Запуск происходит благодаря положительной обратной связи между плотно расположенными вольтаж-зависимыми натриевыми каналами, которые присутствуют в критической концентрации в аксонном холмике (и перехватах Ранвье), но не в теле клетки (соме). В состоянии покоя нейрон поляризован, с потенциалом около −70 мВ внутри относительно окружающей среды. Когда возбуждающий нейротрансмиттер высвобождается пресинаптическим нейроном и связывается с постсинаптическими дендритными шипиками, лиганд-зависимые ионные каналы открываются, позволяя ионам натрия проникать в клетку. Это может привести к деполяризации постсинаптической мембраны (снижению ее отрицательности). Эта деполяризация распространяется к аксонному холмику, экспоненциально уменьшаясь со временем и расстоянием. Если несколько таких событий происходят за короткий промежуток времени, аксонный холмик может деполяризоваться настолько, чтобы открыть вольтаж-зависимые натриевые каналы. Это инициирует потенциал действия, который затем распространяется по аксону. По мере проникновения натрия в клетку, потенциал клеточной мембраны становится более положительным, что активирует еще больше натриевых каналов в мембране. В конечном итоге приток натрия превосходит выход калия (через двухдоменные калиевые каналы или каналы утечки), инициируя петлю положительной обратной связи (восходящая фаза). Приблизительно при +40 мВ вольтаж-зависимые натриевые каналы начинают закрываться (пиковая фаза), а вольтаж-зависимые калиевые каналы начинают открываться, перемещая калий по его электрохимическому градиенту из клетки (нисходящая фаза). Калиевые каналы проявляют замедленную реакцию на реполяризацию мембраны, и даже после достижения потенциала покоя некоторое количество калия продолжает вытекать, в результате чего внутриклеточная жидкость становится более отрицательной, чем потенциал покоя, и в течение этого времени потенциал действия не может быть запущен (фаза постгиперполяризации/рефрактерный период). Эта фаза постгиперполяризации обеспечивает распространение потенциала действия по аксону, а не в обратном направлении. Как только этот начальный потенциал действия инициирован, главным образом в аксонном холмике, он распространяется по всей длине аксона. В нормальных условиях потенциал действия быстро затухает из-за пористой структуры клеточной мембраны. Для обеспечения более быстрого и эффективного распространения потенциалов действия аксон миелинизирован. Миелин, производное холестерина, действует как изолирующая оболочка и предотвращает утечку сигнала через ионные или каналы утечки. Тем не менее, в изоляции существуют разрывы (перехваты Ранвье), которые усиливают силу сигнала. Когда потенциал действия достигает перехвата Ранвье, он деполяризует клеточную мембрану. Деполяризация клеточной мембраны открывает вольтаж-зависимые натриевые каналы, и натрий устремляется внутрь, запуская новый потенциал действия.

Both inhibitory postsynaptic potentials (IPSPs) and excitatory postsynaptic potentials (EPSPs) are summed in the axon hillock and once a triggering threshold is exceeded, an action potential propagates through the rest of the axon (and "backwards" towards the dendrites as seen in neural backpropagation). The triggering is due to positive feedback between highly crowded voltage gated sodium channels, which are present at the critical density at the axon hillock (and nodes of ranvier) but not in the soma. In its resting state, a neuron is polarized, with its inside at about −70 mV relative to its surroundings. When an excitatory neurotransmitter is released by the presynaptic neuron and binds to the postsynaptic dendritic spines, ligand gated ion channels open, allowing sodium ions to enter the cell. This may make the postsynaptic membrane depolarized (less negative). This depolarization will travel towards the axon hillock, diminishing exponentially with time and distance. If several such events occur in a short time, the axon hillock may become sufficiently depolarized for the voltage gated sodium channels to open. This initiates an action potential that then propagates down the axon. As sodium enters the cell, the cell membrane potential becomes more positive, which activates even more sodium channels in the membrane. The sodium influx eventually overtakes the potassium efflux (via the two pore domain potassium channels or leak channels, initiating a positive feedback loop (rising phase). At around +40 mV, the voltage gated sodium channels begin to close (peak phase) and the voltage gated potassium channels begin to open, moving potassium down its electrochemical gradient and out of the cell (falling phase). The potassium channels exhibit a delayed reaction to the membrane repolarisation, and, even after the resting potential is achieved, some potassium continues to flow out, resulting in an intracellular fluid that is more negative than the resting potential, and during which no action potential can begin (undershoot phase/refractory period). This undershoot phase ensures that the action potential propagates down the axon and not back up it. Once this initial action potential is initiated, principally at the axon hillock, it propagates down the length of the axon. Under normal conditions, the action potential would attenuate very quickly due to the porous nature of the cell membrane. To ensure faster and more efficient propagation of action potentials, the axon is myelinated. Myelin, a derivative of cholesterol, acts as an insulating sheath and ensures that the signal cannot escape through the ion or leak channels. There are, nevertheless, gaps in the insulation (nodes of Ranvier), which boost the signal strength. As the action potential reaches a node of Ranvier, it depolarises the cell membrane. As the cell membrane is depolarised, the voltage gated sodium channels open and sodium rushes in, triggering a fresh new action potential.