Войти
A.Схематическое изображение идеализированного потенциала действия иллюстрирует его различные фазы, когда потенциал действия проходит точку на клеточной мембране. B.Фактические записи потенциалов действия часто искажаются по сравнению со схематическим изображением из-за различий в электрофизиологических методах, используемых для записи. В электрофизиологии порог потенциал - критический уровень, до которого мембранный потенциал должен быть деполяризован, чтобы инициировать потенциал действия. В нейробиологии пороговые потенциалы необходимы для регулирования и распространения сигналов как в центральной нервной системе (ЦНС), так и в периферической нервной системе (ПНС).
Чаще всего пороговый потенциал представляет собой значение мембранного потенциала от –50 до –55 мВ, но может варьироваться в зависимости от нескольких факторов. Мембранный потенциал покоя нейрона (–70 мВ) может быть изменен для увеличения или уменьшения вероятности достижения порога за счет ионов натрия и калия. Приток натрия в клетку через открытые потенциалозависимые натриевые каналы может деполяризовать мембрану за порог и, таким образом, возбудить ее, в то время как отток калия или приток хлорида может гиперполяризует клетку и, таким образом, препятствует достижению порога.
Первоначальные эксперименты вращались вокруг концепции, согласно которой любое электрическое изменение, вызываемое в нейронах, должно происходить под действием ионов. Немецкий физико-химик Вальтер Нернст применил эту концепцию в экспериментах по обнаружению нервной возбудимости и пришел к выводу, что локальный процесс возбуждения через полупроницаемую мембрану зависит от концентрации ионов. Кроме того, было показано, что концентрация ионов является ограничивающим фактором возбуждения. Если бы была достигнута надлежащая концентрация ионов, возбуждение обязательно произошло бы. Это стало основой для определения порогового значения.
Наряду с реконструкцией потенциала действия в 1950-х годах Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли также смогли экспериментально определить механизм, лежащий в основе порог возбуждения. Она известна как модель Ходжкина – Хаксли. Используя методы фиксации напряжения на аксоне гигантского кальмара, они обнаружили, что возбудимые ткани обычно демонстрируют феномен, заключающийся в том, что для активации потенциала действия должен быть достигнут определенный мембранный потенциал. Поскольку эксперимент давал результаты путем наблюдения изменений ионной проводимости, Ходжкин и Хаксли использовали эти термины для обсуждения порогового потенциала. Первоначально они предположили, что должен быть разрыв в проводимости натрия или калия, но в действительности обе проводимости имели тенденцию плавно изменяться вместе с мембранным потенциалом.
Вскоре они обнаружили, что при пороговом потенциале внутренняя и наружные токи ионов натрия и калия, соответственно, были точно равны и противоположны. В отличие от мембранного потенциала покоя, условия порогового потенциала демонстрируют баланс токов, которые были нестабильными. Нестабильность относится к тому факту, что любая дальнейшая деполяризация активирует еще больше управляемых напряжением натриевых каналов, и входящий ток деполяризации натрия преодолевает задержанный выходящий ток калия. С другой стороны, на уровне покоя потоки калия и натрия стабильно равны и противоположны, что не должно приводить к внезапному непрерывному потоку ионов. Основа состоит в том, что на определенном уровне деполяризации, когда токи равны и противоположны нестабильно, любое дальнейшее попадание положительного заряда создает потенциал действия. Это конкретное значение деполяризации (в мВ) иначе известно как пороговый потенциал.
Пороговое значение определяет, достаточны ли входящие стимулы для создания потенциала действия. Он основан на балансе входящих тормозных и возбуждающих стимулов. Потенциалы, генерируемые стимулами, являются аддитивными, и они могут достигать порога в зависимости от их частоты и амплитуды. Нормальное функционирование центральной нервной системы влечет за собой суммирование синаптических входов, поступающих в основном на дендритное дерево нейрона. Эти локальные градиентные потенциалы, которые в первую очередь связаны с внешними стимулами, достигают начального сегмента аксона и накапливаются, пока им не удается достичь порогового значения. Чем больше стимул, тем больше деполяризация или попытка достичь порога. Задача деполяризации требует нескольких ключевых шагов, которые зависят от анатомических факторов клетки. Ионная проводимость зависит от мембранного потенциала, а также времени после изменения мембранного потенциала.
фосфолипидный бислой клеточной мембраны сам по себе очень непроницаем для ионов. Полная структура клеточной мембраны включает множество белков, которые встроены в липидный бислой или полностью пересекают его. Некоторые из этих белков обеспечивают высокоспецифичный проход ионов, ионных каналов. Каналы утечки калия позволяют калию проходить через мембрану в ответ на несоответствие концентраций калия внутри (высокая концентрация) и вне клетки (низкая). Потеря положительных (+) зарядов ионов калия (K +) изнутри клетки приводит к возникновению там отрицательного потенциала по сравнению с внеклеточной поверхностью мембраны. Гораздо меньшая «утечка» натрия (Na +) в ячейку приводит к тому, что фактический потенциал покоя, около –70 мВ, оказывается менее отрицательным, чем расчетный потенциал для одного только K +, равновесный потенциал, около –90 мВ. натрий-калиевая АТФаза является активным переносчиком внутри мембраны, который перекачивает калий (2 иона) обратно в клетку и натрий (3 иона) из клетки, поддерживая концентрацию обоих ионов, а также сохраняя поляризация напряжения.
Однако, как только стимул активирует управляемые по напряжению натриевые каналы, чтобы открыться, положительные ионы натрия наводняются в ячейку, и напряжение увеличивается. Этот процесс также может быть инициирован связыванием лиганда или нейромедиатора с каналом, управляемым лигандом. Больше натрия находится вне клетки по сравнению с внутренней, и положительный заряд внутри клетки способствует оттоку ионов калия через калиевые каналы выпрямителя с задержкой по напряжению. Поскольку калиевые каналы внутри клеточной мембраны задерживаются, любое дальнейшее проникновение натрия активирует все больше и больше потенциалозависимых натриевых каналов. Деполяризация выше порога приводит к увеличению проводимости Na, достаточному для движения натрия внутрь, чтобы немедленно подавить движение калия наружу. 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 колебания подпорогового мембранного потенциала наблюдаются в некоторых типах нейронов. В случае успеха внезапный приток положительного заряда деполяризует мембрану, и калий задерживается в восстановлении или гиперполяризации клетки. Приток натрия деполяризует клетку в попытке установить собственный равновесный потенциал (около +52 мВ), чтобы сделать внутреннюю часть клетки более положительной по сравнению с внешней.
Значение порога может варьироваться в зависимости от множества факторов. Изменения ионной проводимости натрия или калия могут привести как к повышению, так и к понижению порогового значения. Кроме того, диаметр аксона, плотность активируемых напряжением натриевых каналов и свойства натриевых каналов в аксоне - все это влияет на пороговое значение. Обычно в аксоне или дендрите есть небольшие деполяризующие или гиперполяризующие сигналы, возникающие в результате предшествующего стимула. Пассивное распространение этих сигналов зависит от пассивных электрических свойств клетки. Сигналы могут продолжаться вдоль нейрона, чтобы вызвать дальнейшее снижение потенциала действия, если они достаточно сильны, чтобы преодолеть сопротивление и емкость клеточной мембраны. Например, нейрон с большим диаметром имеет больше ионных каналов в своей мембране, чем меньшая клетка, что приводит к более низкому сопротивлению потоку ионного тока. Ток распространяется быстрее в клетке с меньшим сопротивлением и с большей вероятностью достигнет порога в других частях нейрона.
Пороговый потенциал также экспериментально показал, что он адаптируется к медленным изменениям входных характеристик путем регулирования плотность натриевых каналов, а также инактивация этих натриевых каналов в целом. Гиперполяризация калиевыми каналами выпрямителя с задержкой вызывает относительный рефрактерный период, что значительно затрудняет достижение порога. Калиевые каналы с задержанным выпрямителем отвечают за позднюю фазу выхода потенциала действия, когда они открываются при другом стимуле напряжения по сравнению с быстро активируемыми натриевыми каналами. Они исправляют или восстанавливают баланс ионов через мембрану, открывая и позволяя калию течь вниз по градиенту его концентрации изнутри наружу клетки. Они также закрываются медленно, в результате чего наружу выходит положительный заряд, превышающий необходимый баланс. Это приводит к избыточному негативу в клетке, требующему чрезвычайно сильного стимула и, как следствие, деполяризации, чтобы вызвать ответ.
Методы отслеживания пороговых значений проверяют возбудимость нервов и зависят от свойств аксональных мембран и участков 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, последовательностью импульсов или подпороговым током. Измерение изменений порога может указывать на изменения мембранного потенциала, свойств аксонов и / или целостности миелиновой оболочки .
Отслеживание пороговых значений позволяет отрегулировать силу тестового стимула с помощью компьютера, чтобы активировать определенную часть максимального нервного или мышечного потенциала. Эксперимент по отслеживанию порога состоит из стимуляции длительностью 1 мс, применяемой к нерву через равные промежутки времени. Потенциал действия регистрируется после пускового импульса. Стимул автоматически уменьшается с шагом в заданный процент до тех пор, пока реакция не упадет ниже цели (создание потенциала действия). После этого стимул повышается или понижается в зависимости от того, был ли предыдущий ответ меньшим или большим, чем целевой ответ, до тех пор, пока не будет установлен порог покоя (или контроля). Затем можно изменить возбудимость нервов, изменив нервную среду или применив дополнительные токи. Поскольку значение единичного порогового тока дает мало ценной информации, поскольку оно варьируется внутри и между субъектами, пары пороговых измерений более полезны, сравнивая контрольный порог с порогами, вызванными рефрактерностью, сверхнормальностью, постоянной времени силы-продолжительности или «пороговым электротонусом». в научных и клинических исследованиях.
Порог слежения имеет преимущества перед другими электрофизиологическими методами, такими как метод постоянного стимула. Этот метод позволяет отслеживать изменения пороговых значений в динамическом диапазоне 200% и в целом дает больше информации о свойствах аксонов, чем другие тесты. Кроме того, этот метод позволяет дать количественное значение изменения порога, которое при математическом преобразовании в процентное соотношение может быть использовано для сравнения отдельных волокон и мультиволоконных препаратов, различных участков нейронов и возбудимости нервов у разных видов.
Специфическим методом отслеживания порогового значения является пороговый электротонус, который использует настройку отслеживания порога для создания длительных подпороговых деполяризующих или гиперполяризационных токов внутри мембраны. Изменения возбудимости клеток можно наблюдать и регистрировать, создавая эти длительные токи. Снижение порога очевидно при обширной деполяризации, а повышение порога очевидно при обширной гиперполяризации. При гиперполяризации происходит увеличение сопротивления межузловой мембраны из-за закрытия калиевых каналов, и результирующий участок «разветвляется». Деполяризация имеет противоположный эффект, активируя калиевые каналы, создавая график, который «раздувается».
Самым важным фактором, определяющим пороговое значение электротонуса, является мембранный потенциал, поэтому пороговый электротонус также может использоваться как показатель мембранного потенциала.. Кроме того, его можно использовать для определения характеристик серьезных заболеваний путем сравнения влияния этих состояний на пороговый потенциал с эффектами, наблюдаемыми экспериментально. Например, ишемия и деполяризация вызывают такой же эффект «разветвления», что и формы волны электротонуса. Это наблюдение приводит к выводу, что ишемия может быть результатом чрезмерной активации калиевых каналов.
Роль порогового потенциала была задействована в клиническом контексте, а именно в функционировании самой нервной системы, а также сердечно-сосудистой системы.
A фебрильные судороги, или «приступы лихорадки», - это судороги, связанные со значительным повышением температуры тела, чаще всего возникающие в раннем детстве. Повторные эпизоды фебрильных припадков в детстве связаны с повышенным риском височной эпилепсии во взрослом возрасте.
При записи patch-clamp аналогичное состояние было воспроизведено in vitro в корковых нейронах крыс после индукции фебрильная температура тела; наблюдалось заметное снижение порогового потенциала. Механизм этого снижения, возможно, связан с подавлением ингибирования, опосредованным рецептором ГАМК B с чрезмерным тепловым воздействием.
Были отмечены нарушения возбудимости нейронов пациенты с боковым амиотрофическим склерозом и диабетом. В то время как механизм, в конечном счете ответственный за расхождение между двумя состояниями, различается, тесты по реакции на ишемию указывают на аналогичную устойчивость, по иронии судьбы, к ишемии и, как результат, парестезии. Поскольку ишемия возникает из-за ингибирования натрий-калиевого насоса, следовательно, подразумеваются нарушения порогового потенциала.
С 1940-х годов концепция диастолической деполяризации или «потенциала кардиостимулятора», утвердился; этот механизм является характерной особенностью сердечной ткани. Когда порог достигнут и возникающий в результате потенциал действия срабатывает, в результате взаимодействий возникает сердцебиение; однако, когда это сердцебиение происходит в нерегулярное время, может возникнуть потенциально серьезное состояние, известное как аритмия.
Использование различных лекарств может вызывать удлинение интервала QT как побочный эффект. Увеличение этого интервала - результат задержки инактивации натриевых и кальциевых каналов; без надлежащей инактивации канала пороговый потенциал достигается преждевременно, что приводит к аритмии. Эти препараты, известные как проаритмические агенты, включают противомикробные препараты, нейролептики, метадон и, как ни странно, антиаритмические агенты. Такие агенты особенно часто используются в отделениях интенсивной терапии, и следует проявлять особую осторожность при удлинении интервалов QT у таких пациентов: аритмии в результате удлинения интервалов QT включают потенциально смертельные torsades de pointes, или TdP.
Диета может быть переменной в риске аритмии. Полиненасыщенные жирные кислоты, содержащиеся в рыбьем жире и некоторых растительных маслах, играют роль в профилактике аритмий. Путем подавления зависящего от напряжения натриевого тока эти масла смещают пороговый потенциал в более положительное значение; следовательно, потенциал действия требует повышенной деполяризации. Клиническое терапевтическое использование этих экстрактов остается предметом исследований, но установлена сильная корреляция между регулярным потреблением рыбьего жира и меньшей частотой госпитализаций по поводу фибрилляции предсердий, тяжелой и все более распространенной аритмии.
