Потенциал действия

Обзор

Нейроны общаются посредством возбуждения потенциалов действия – электрохимического сигнала, который распространяется вдоль аксона. Сигнал приводит к высвобождению нейромедиаторов на терминалах аксонов, тем самым передавая информацию в нервную систему. Потенциал действия – это особый принцип & ldquo; все или ничего & rdquo; изменение мембранного потенциала, которое приводит к быстрому скачку напряжения.

Мембранный потенциал нейронов

Нейроны обычно имеют мембранный потенциал покоя около -70 милливольт (мВ). Когда они получают сигналы – например, от нейротрансмиттеров или сенсорных стимулов – их мембранный потенциал может гиперполяризоваться (становиться более отрицательным) или деполяризоваться (становиться более положительным) в зависимости от природы стимула.

Если мембрана становится деполяризованной до определенного порогового потенциала, в ответ открываются потенциалозависимые натриевые (Na ⁺ ) каналы. Na ⁺ имеет более высокую концентрацию вне клетки по сравнению с внутренней, поэтому он устремляется внутрь, когда каналы открываются, перемещаясь вниз по своему электрохимическому градиенту. По мере поступления положительного заряда мембранный потенциал становится еще более деполяризованным, что, в свою очередь, открывает больше каналов. В результате мембранный потенциал быстро возрастает до пика около +40 мВ.

На пике потенциала действия несколько факторов снижают его. Приток Na ⁺ замедляется, поскольку каналы Na ⁺ начинают отключаться. По мере того, как внутренняя часть клетки становится более положительной, уменьшается электрическое притяжение, движущее Na ⁺ внутрь. Первоначальная деполяризация также запускает открытие потенциалозависимых калиевых (K ⁺ ) каналов, но они открываются медленнее, чем каналы Na ⁺ . Как только эти K ⁺ каналы открываются & mdash; около пика потенциала действия, & mdash; K ⁺ устремляется вниз по своему электрохимическому градиенту. Уменьшение притока положительного заряда от Na ⁺ в сочетании с оттоком положительного заряда от K ⁺ быстро снижает мембранный потенциал.

В течение короткого периода после потенциала действия мембрана гиперполяризована по сравнению с потенциалом покоя. Это называется рефрактерным периодом, потому что в течение этого времени клетка не способна производить новый потенциал действия, предотвращая, таким образом, движение потенциала действия назад в клетке.

Миелиновая оболочка увеличивает проводимость

Специализированные глиальные клетки – олигодендроциты в ЦНС и шванновские клетки в ПНС – распространяют длинные отростки, которые охватывают аксоны нейронов. Эта упаковка обеспечивает изоляцию, предотвращая утечку тока при его движении по аксону. Кроме того, электрические сигналы распространяются вниз по миелинизированным аксонам посредством пассивного положительного тока в миелинизированных областях. Управляемые напряжением Na ⁺ и K ⁺ каналы находятся только в промежутках между миелином, в узлах Ранвье, запуская регенерацию потенциала действия в каждом узле. Таким образом, кажется, что потенциал действия «прыгает». вниз по аксону в узлах – процесс, называемый скачкообразной проводимостью.

Гигантские нервы кальмара

Джон З. Янг, зоолог и нейрофизиолог, обнаружил, что кальмар имеет нервные клетки с аксонами гораздо шире, чем нейроны млекопитающих. Эти нервы контролируют быстрый маневр при побеге, который облегчается более быстрыми потенциалами действия, которые возможны только в больших аксонов. Больший диаметр аксонов позволил проработать первоначальные исследования и описания ионных механизмов, участвующих в потенциале действия. Эта работа была впервые в 1950-х годах Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли во время работы над гигантским нервом атлантического кальмара. Вместе они описали проницаемость аксональных мембран для ионов натрия и калия и смогли количественно реконструировать потенциал действия на основе их электродных записей.