Agerande potential

Strukturen hos en typisk neuron
Nervcell
	Dendrit Soma Axon Kärna Ranviers nod ; Axon terminal Schwann cell Myelinskidan

När en aktionspotential (nervimpuls) rör sig nerför ett axon sker en förändring i elektrisk polaritet över axonets membran . Som svar på en signal från en annan neuron öppnas och stängs natrium- (Na ⁺ ) och kalium- (K ⁺ )- styrda jonkanaler när membranet når sin tröskelpotential . Na ⁺ -kanaler öppnar sig i början av aktionspotentialen, och Na ⁺ rör sig in i axonet och orsakar depolarisering . Repolarisering uppstår när K ⁺ -kanaler öppnas och K ⁺ rör sig ut ur axonet, vilket skapar en förändring i elektrisk polaritet mellan utsidan av cellen och insidan. Impulsen färdas nedför axonet endast i en riktning, till axonterminalen där den signalerar andra neuroner.

En aktionspotential uppstår när membranpotentialen för en specifik cellplats snabbt stiger och faller. Denna depolarisering får sedan närliggande platser att depolariseras på liknande sätt. Aktionspotentialer förekommer i flera typer av djurceller , så kallade exciterbara celler , som inkluderar neuroner , muskelceller och i vissa växtceller . Vissa endokrina celler såsom betaceller från bukspottkörteln och vissa celler i den främre hypofysen är också exciterbara celler.

I neuroner spelar aktionspotentialer en central roll i cell-cell-kommunikation genom att tillhandahålla - eller med avseende på saltande ledning , hjälpa till - utbredningen av signaler längs neurons axon mot synaptiska boutons som är belägna i ändarna av ett axon; dessa signaler kan sedan ansluta till andra neuroner vid synapser, eller till motorceller eller körtlar. I andra typer av celler är deras huvudsakliga funktion att aktivera intracellulära processer. I muskelceller, till exempel, är en aktionspotential det första steget i händelsekedjan som leder till sammandragning. I betaceller i bukspottkörteln framkallar de frisättning av insulin . Aktionspotentialer i neuroner är också kända som " nervimpulser " eller " spikar ", och den tidsmässiga sekvensen av aktionspotentialer som genereras av en neuron kallas dess " spiktåg ". En neuron som avger en aktionspotential, eller nervimpuls, sägs ofta "elda".

Aktionspotentialer genereras av speciella typer av spänningsstyrda jonkanaler inbäddade i en cells plasmamembran . Dessa kanaler stängs när membranpotentialen är nära cellens (negativa) vilopotential , men de börjar snabbt öppnas om membranpotentialen ökar till en exakt definierad tröskelspänning, vilket depolariserar transmembranpotentialen. När kanalerna öppnas tillåter de ett inåtflöde av natriumjoner , vilket förändrar den elektrokemiska gradienten, vilket i sin tur ger en ytterligare ökning av membranpotentialen mot noll. Detta gör att fler kanaler öppnas, vilket ger en större elektrisk ström över cellmembranet och så vidare. Processen fortsätter explosivt tills alla tillgängliga jonkanaler är öppna, vilket resulterar i en stor uppgång i membranpotentialen. Det snabba inflödet av natriumjoner gör att polariteten hos plasmamembranet vänder, och jonkanalerna inaktiveras sedan snabbt. När natriumkanalerna stänger kan natriumjoner inte längre komma in i neuronen, och de transporteras sedan aktivt tillbaka ut ur plasmamembranet. Kaliumkanaler aktiveras sedan, och det finns en utåtgående ström av kaliumjoner, som återför den elektrokemiska gradienten till vilotillståndet. Efter att en aktionspotential har inträffat sker en övergående negativ förskjutning, kallad efterhyperpolarisering .

I djurceller finns det två primära typer av aktionspotentialer. En typ genereras av spänningsstyrda natriumkanaler , den andra av spänningsstyrda kalciumkanaler . Natriumbaserade aktionspotentialer varar vanligtvis under en millisekund, men kalciumbaserade aktionspotentialer kan vara i 100 millisekunder eller längre. ^{[ citat behövs ]} I vissa typer av neuroner ger långsamma kalciumspikar drivkraften för en lång skur av snabbt emitterade natriumspikar. I hjärtmuskelceller , å andra sidan, ger en initial snabb natriumspets en "primer" för att provocera fram den snabba uppkomsten av en kalciumspets, som sedan producerar muskelkontraktion.

Översikt

Formen på en typisk aktionspotential. Membranpotentialen förblir nära en baslinjenivå tills den vid någon tidpunkt plötsligt ökar uppåt och sedan snabbt faller.

Nästan alla cellmembran hos djur, växter och svampar upprätthåller en spänningsskillnad mellan cellens yttre och inre, kallad membranpotentialen . En typisk spänning över ett djurcellsmembran är -70 mV. Detta innebär att det inre av cellen har en negativ spänning i förhållande till det yttre. I de flesta typer av celler förblir membranpotentialen vanligtvis ganska konstant. Vissa typer av celler är dock elektriskt aktiva i den meningen att deras spänningar fluktuerar över tiden. I vissa typer av elektriskt aktiva celler, inklusive neuroner och muskelceller, tar spänningsfluktuationerna ofta formen av en snabb uppåtgående (positiv) spik följt av ett snabbt fall. Dessa upp-och-ner-cykler är kända som aktionspotentialer . I vissa typer av neuroner sker hela upp-och-ned-cykeln på några tusendelar av en sekund. I muskelceller varar en typisk aktionspotential ungefär en femtedel av en sekund. I växtceller kan en aktionspotential vara i tre sekunder eller mer.

De elektriska egenskaperna hos en cell bestäms av strukturen på dess membran. Ett cellmembran består av ett lipiddubbelskikt av molekyler i vilka större proteinmolekyler är inbäddade. Lipiddubbelskiktet är mycket motståndskraftigt mot rörelse av elektriskt laddade joner, så det fungerar som en isolator. De stora membraninbäddade proteinerna, däremot, tillhandahåller kanaler genom vilka joner kan passera över membranet. Aktionspotentialer drivs av kanalproteiner vars konfiguration växlar mellan stängt och öppet tillstånd som en funktion av spänningsskillnaden mellan cellens inre och yttre. Dessa spänningskänsliga proteiner är kända som spänningsstyrda jonkanaler .

Process i en typisk neuron

Ungefärlig plot av en typisk aktionspotential visar dess olika faser när aktionspotentialen passerar en punkt på ett cellmembran . Membranpotentialen börjar vid ungefär -70 mV vid tidpunkten noll. En stimulans appliceras vid tidpunkten = 1 ms, vilket höjer membranpotentialen över -55 mV (tröskelpotentialen). Efter att stimulansen applicerats stiger membranpotentialen snabbt till en topppotential på +40 mV vid tidpunkten = 2 ms. Lika snabbt sjunker sedan potentialen och överskrider till −90 mV vid tidpunkten = 3 ms, och slutligen återupprättas vilopotentialen på −70 mV vid tidpunkten = 5 ms.

Alla celler i djurkroppsvävnader är elektriskt polariserade – med andra ord upprätthåller de en spänningsskillnad över cellens plasmamembran , känd som membranpotentialen . Denna elektriska polarisering är resultatet av ett komplext samspel mellan proteinstrukturer inbäddade i membranet som kallas jonpumpar och jonkanaler . I neuroner varierar typerna av jonkanaler i membranet vanligtvis över olika delar av cellen, vilket ger dendriterna, axonet och cellkroppen olika elektriska egenskaper. Som ett resultat kan vissa delar av membranet hos en neuron vara exciterbara (kapabla att generera aktionspotentialer), medan andra inte är det. Nyligen genomförda studier har visat att den mest exciterbara delen av en neuron är delen efter axonkullen ( punkten där axonet lämnar cellkroppen), som kallas det axonala initiala segmentet , men axonet och cellkroppen är också exciterbara i de flesta fall.

Varje exciterbar membranfläck har två viktiga nivåer av membranpotential: vilopotentialen , vilket är det värde som membranpotentialen upprätthåller så länge ingenting stör cellen, och ett högre värde som kallas tröskelpotentialen . Vid axonkullen av en typisk neuron är vilopotentialen runt –70 millivolt (mV) och tröskelpotentialen är runt –55 mV. Synaptiska ingångar till en neuron gör att membranet depolariseras eller hyperpolariseras ; det vill säga de gör att membranpotentialen stiger eller faller. Aktionspotentialer utlöses när tillräckligt med depolarisering ackumuleras för att bringa membranpotentialen upp till tröskeln. När en aktionspotential utlöses, skjuter membranpotentialen abrupt uppåt och skjuter sedan lika abrupt tillbaka nedåt, och slutar ofta under vilonivån, där den stannar under en viss tid. Handlingspotentialens form är stereotyp; detta betyder att uppgången och fallet vanligtvis har ungefär samma amplitud och tidsförlopp för alla aktionspotentialer i en given cell. (Undantag diskuteras senare i artikeln). I de flesta neuroner sker hela processen på ungefär en tusendels sekund. Många typer av neuroner avger konstant aktionspotentialer med hastigheter på upp till 10–100 per sekund. Vissa typer är dock mycket tystare och kan gå i minuter eller längre utan att avge några aktionspotentialer.

Biofysisk grund

Aktionspotentialer härrör från närvaron i en cells membran av speciella typer av spänningsstyrda jonkanaler . En spänningsstyrd jonkanal är ett transmembranprotein som har tre nyckelegenskaper:

Den är kapabel att anta mer än en konformation.
Åtminstone en av konformationerna skapar en kanal genom membranet som är permeabel för specifika typer av joner.
Övergången mellan konformationer påverkas av membranpotentialen.

Således tenderar en spänningsstyrd jonkanal att vara öppen för vissa värden på membranpotentialen och stängd för andra. I de flesta fall är dock sambandet mellan membranpotential och kanaltillstånd sannolikhet och involverar en tidsfördröjning. Jonkanaler växlar mellan konformationer vid oförutsägbara tidpunkter: Membranpotentialen bestämmer hastigheten för övergångar och sannolikheten per tidsenhet för varje typ av övergång.

Aktionspotential utbredning längs ett axon

Spänningsstyrda jonkanaler är kapabla att producera aktionspotentialer eftersom de kan ge upphov till positiva återkopplingsslingor : Membranpotentialen styr tillståndet för jonkanalerna, men jonkanalernas tillstånd styr membranpotentialen. Sålunda, i vissa situationer, kan en ökning av membranpotentialen orsaka att jonkanaler öppnas och därigenom orsaka en ytterligare ökning av membranpotentialen. En aktionspotential uppstår när denna positiva återkopplingscykel ( Hodgkin-cykeln ) fortskrider explosivt. Tids- och amplitudbanan för aktionspotentialen bestäms av de biofysiska egenskaperna hos de spänningsstyrda jonkanalerna som producerar den. Det finns flera typer av kanaler som kan producera den positiva feedback som krävs för att generera en handlingspotential. Spänningsstyrda natriumkanaler är ansvariga för de snabba aktionspotentialer som är involverade i nervledning. Långsammare aktionspotentialer i muskelceller och vissa typer av neuroner genereras av spänningsstyrda kalciumkanaler. Var och en av dessa typer finns i flera varianter, med olika spänningskänslighet och olika tidsdynamik.

Den mest intensivt studerade typen av spänningsberoende jonkanaler omfattar natriumkanalerna som är involverade i snabb nervledning. Dessa är ibland kända som Hodgkin-Huxley-natriumkanaler eftersom de först karakteriserades av Alan Hodgkin och Andrew Huxley i deras Nobelprisbelönta studier av aktionspotentialens biofysik, men kan mer bekvämt kallas Na _V -kanaler. ("V" står för "spänning".) En Na _V- kanal har tre möjliga tillstånd, kända som avaktiverad , aktiverad och inaktiverad . Kanalen är endast permeabel för natriumjoner när den är i aktiverat tillstånd. När membranpotentialen är låg tillbringar kanalen större delen av sin tid i avaktiverat (stängt) tillstånd. Om membranpotentialen höjs över en viss nivå visar kanalen ökad sannolikhet att övergå till det aktiverade (öppna) tillståndet. Ju högre membranpotential desto större är sannolikheten för aktivering. När en kanal väl har aktiverats kommer den så småningom att övergå till det inaktiverade (stängda) tillståndet. Den tenderar då att förbli inaktiverad under en tid, men om membranpotentialen blir låg igen kommer kanalen så småningom att gå tillbaka till det avaktiverade tillståndet. Under en aktionspotential går de flesta kanaler av denna typ igenom en cykel avaktiverad → aktiverad → inaktiverad → avaktiverad . Detta är dock bara befolkningens genomsnittliga beteende – en enskild kanal kan i princip göra vilken övergång som helst när som helst. Sannolikheten för att en kanal övergår från det inaktiverade tillståndet direkt till det aktiverade tillståndet är dock mycket låg: En kanal i det inaktiverade tillståndet är refraktär tills den har övergått tillbaka till det inaktiverade tillståndet.

Resultatet av allt detta är att kinetiken för Na _V -kanalerna styrs av en övergångsmatris vars hastigheter är spänningsberoende på ett komplicerat sätt. Eftersom dessa kanaler själva spelar en stor roll för att bestämma spänningen, kan den globala dynamiken i systemet vara ganska svår att räkna ut. Hodgkin och Huxley närmade sig problemet genom att utveckla en uppsättning differentialekvationer för parametrarna som styr jonkanaltillstånden, kända som Hodgkin-Huxleys ekvationer . Dessa ekvationer har i stor utsträckning modifierats av senare forskning, men utgör utgångspunkten för de flesta teoretiska studier av aktionspotentialbiofysik.

Jonrörelse under en aktionspotential. Nyckel: a) Natriumjon (Na ⁺ ). b) Kalium(K ⁺ )jon. c) Natriumkanal. d) Kaliumkanal. e) Natrium-kaliumpump. I stadierna av en aktionspotential förändras permeabiliteten hos neuronens membran. I vilotillståndet (1) har natrium- och kaliumjoner begränsad förmåga att passera genom membranet, och neuronen har en negativ nettoladdning inuti. När aktionspotentialen är utlöst aktiverar neurons depolarisering (2) natriumkanaler, vilket gör att natriumjoner kan passera genom cellmembranet in i cellen, vilket resulterar i en positiv nettoladdning i neuronen i förhållande till den extracellulära vätskan . Efter att aktionspotentialtoppen har nåtts, börjar neuronen repolarisering (3), där natriumkanalerna stänger och kaliumkanaler öppnas, vilket tillåter kaliumjoner att passera membranet in i den extracellulära vätskan, vilket återställer membranpotentialen till ett negativt värde. Slutligen finns det en refraktär period (4), under vilken de spänningsberoende jonkanalerna inaktiveras medan Na ^+- och K ⁺ -jonerna återgår till sina vilotillståndsfördelningar över membranet (1), och neuronen är redo att upprepa process för nästa åtgärdspotential.

När membranpotentialen ökar öppnas natriumjonkanaler , vilket tillåter inträde av natriumjoner i cellen. Detta följs av öppnandet av kaliumjonkanaler som tillåter utsläpp av kaliumjoner från cellen. Det inåtgående flödet av natriumjoner ökar koncentrationen av positivt laddade katjoner i cellen och orsakar depolarisering, där cellens potential är högre än cellens vilopotential . Natriumkanalerna stänger vid toppen av aktionspotentialen, medan kalium fortsätter att lämna cellen. Utflödet av kaliumjoner minskar membranpotentialen eller hyperpolariserar cellen. För små spänningsökningar från vila överstiger kaliumströmmen natriumströmmen och spänningen återgår till sitt normala vilovärde, typiskt −70 mV. Men om spänningen ökar förbi ett kritiskt tröskelvärde, vanligtvis 15 mV högre än vilovärdet, dominerar natriumströmmen. Detta resulterar i ett skenande tillstånd där den positiva återkopplingen från natriumströmmen aktiverar ännu fler natriumkanaler. Således avfyrar cellen och producerar en aktionspotential. Frekvensen med vilken en neuron framkallar aktionspotentialer kallas ofta för avfyrningshastighet eller neural avfyringshastighet .

Strömmar som alstras av öppnandet av spänningsstyrda kanaler under loppet av en aktionspotential är vanligtvis betydligt större än den initiala stimuleringsströmmen. Sålunda bestäms aktionspotentialens amplitud, varaktighet och form till stor del av egenskaperna hos det exciterbara membranet och inte amplituden eller varaktigheten av stimulansen. Denna allt-eller-inget- egenskap hos aktionspotentialen skiljer den från graderade potentialer såsom receptorpotentialer , elektrotoniska potentialer , subtröskelmembranpotentialoscillationer och synaptiska potentialer , som skalas med storleken på stimulansen. En mängd olika typer av aktionspotential finns i många celltyper och cellavdelningar som bestäms av typerna av spänningsstyrda kanaler, läckkanaler , kanalfördelningar, jonkoncentrationer, membrankapacitans, temperatur och andra faktorer.

De huvudsakliga jonerna involverade i en aktionspotential är natrium- och kaliumkatjoner; natriumjoner kommer in i cellen och kaliumjoner lämnar, vilket återställer jämvikten. Relativt få joner behöver passera membranet för att membranspänningen ska förändras drastiskt. De joner som byts ut under en aktionspotential gör därför en försumbar förändring i de inre och yttre jonkoncentrationerna. De få joner som korsar pumpas ut igen genom den kontinuerliga verkan av natrium-kaliumpumpen, som tillsammans med andra jontransportörer upprätthåller det normala förhållandet mellan jonkoncentrationer över membranet. Kalciumkatjoner och kloridanjoner är involverade i ett fåtal typer av aktionspotentialer, såsom hjärtaktionspotentialen respektive aktionspotentialen i encellig algen Acetabularia .

Även om aktionspotentialer genereras lokalt på fläckar av exciterbart membran, kan de resulterande strömmarna utlösa aktionspotentialer på angränsande membransträckor, vilket utlöser en dominoliknande fortplantning. I motsats till passiv spridning av elektriska potentialer ( elektronisk potential ), genereras aktionspotentialer på nytt längs exciterbara membransträckor och fortplantar sig utan förfall. Myeliniserade sektioner av axoner är inte exciterbara och producerar inte aktionspotentialer och signalen fortplantas passivt som elektrotonisk potential . Regelbundet åtskilda omyeliniserade lappar, kallade Ranviers noder , genererar aktionspotentialer för att förstärka signalen. Denna typ av signalutbredning, känd som saltande ledning , ger en fördelaktig kompromiss mellan signalhastighet och axondiameter. Depolarisering av axonterminaler utlöser i allmänhet frisättningen av neurotransmittorer i synapspalten . Dessutom har bakåtpropagerande aktionspotentialer registrerats i dendriterna av pyramidala neuroner , som är allestädes närvarande i neocortex. Dessa tros ha en roll i spike-timing-beroende plasticitet .

I Hodgkin-Huxley-membrankapacitansmodellen var överföringshastigheten för en aktionspotential odefinierad och det antogs att intilliggande områden blev depolariserade på grund av frigjord joninterferens med angränsande kanaler. Mätningar av jondiiffusion och radier har sedan visat att detta inte är möjligt. ^{[ citat behövs ]} Dessutom, motsägelsefulla mätningar av entropiförändringar och timing ifrågasatte kapacitansmodellen som ensam. ^{Alternativt , Gilbert Lings adsorptionshypotes .} , hävdar att membranpotentialen och aktionspotentialen hos en levande cell beror på adsorptionen av mobila joner på adsorptionsställen av celler

Mognad av aktionspotentialens elektriska egenskaper

En neurons förmåga att generera och sprida en handlingspotential förändras under utvecklingen . Hur mycket membranpotentialen hos en neuron förändras som ett resultat av en strömimpuls är en funktion av membranets ingångsresistans . När en cell växer läggs fler kanaler till membranet, vilket orsakar en minskning av ingångsresistansen. En mogen neuron genomgår också kortare förändringar i membranpotential som svar på synaptiska strömmar. Neuroner från en iller lateral geniculate nucleus har en längre tidskonstant och större spänningsavböjning vid P0 än de har vid P30. En konsekvens av den minskande aktionspotentialens varaktighet är att signalens trohet kan bevaras som svar på högfrekvent stimulering. Omogna neuroner är mer benägna att få synaptisk depression än potentiering efter högfrekvent stimulering.

I den tidiga utvecklingen av många organismer bärs aktionspotentialen faktiskt initialt av kalciumström snarare än natriumström . Öppnings- och stängningskinetiken för kalciumkanaler under utveckling är långsammare än för de spänningsstyrda natriumkanalerna som kommer att bära aktionspotentialen i de mogna neuronerna. De längre öppettiderna för kalciumkanalerna kan leda till aktionspotentialer som är betydligt långsammare än hos mogna neuroner. Xenopus -neuroner har initialt aktionspotentialer som tar 60–90 ms. Under utvecklingen minskar denna tid till 1 ms. Det finns två orsaker till denna drastiska minskning. För det första bärs den inåtriktade strömmen främst av natriumkanaler. För det andra ökar den fördröjda likriktaren , en kaliumkanalström , till 3,5 gånger sin initiala styrka.

För att övergången från en kalciumberoende aktionspotential till en natriumberoende aktionspotential ska fortsätta måste nya kanaler tillföras membranet. Om Xenopus-neuroner odlas i en miljö med RNA-syntes eller proteinsyntesinhibitorer förhindras denna övergång. Även den elektriska aktiviteten hos själva cellen kan spela en roll i kanaluttryck. Om aktionspotentialer i Xenopus myocyter blockeras, förhindras eller fördröjs den typiska ökningen av natrium- och kaliumströmtätheten.

Denna mognad av elektriska egenskaper ses över arter. Xenopus natrium- och kaliumströmmar ökar drastiskt efter att en neuron går igenom sin slutfas av mitos . Natriumströmtätheten hos råttkortikala neuroner ökar med 600 % under de första två postnatala veckorna.

Neurotransmission

Anatomi av en neuron

Flera typer av celler stödjer en aktionspotential, såsom växtceller, muskelceller och de specialiserade cellerna i hjärtat (där hjärtaktionspotentialen uppstår ) . Den huvudsakliga exciterbara cellen är emellertid neuronen, som också har den enklaste mekanismen för aktionspotentialen.

Neuroner är elektriskt exciterbara celler som i allmänhet består av en eller flera dendriter, en enda soma , en enda axon och en eller flera axonterminaler . Dendriter är cellulära projektioner vars primära funktion är att ta emot synaptiska signaler. Deras utsprång, kända som dendritiska ryggraden , är designade för att fånga de signalsubstanser som frigörs av den presynaptiska neuronen. De har en hög koncentration av ligandstyrda jonkanaler . Dessa ryggar har en tunn hals som förbinder ett bultformigt utsprång med dendriten. Detta säkerställer att förändringar som sker inuti ryggraden är mindre benägna att påverka de närliggande ryggraden. Dendritiska ryggraden kan, med sällsynta undantag (se LTP ), fungera som en självständig enhet. Dendriterna sträcker sig från soma, som hyser kärnan, och många av de "normala" eukaryota organellerna. Till skillnad från ryggarna är ytan av soma befolkad av spänningsaktiverade jonkanaler. Dessa kanaler hjälper till att överföra signalerna som genereras av dendriterna. Axonkullen kommer fram ur soma . Denna region kännetecknas av att ha en mycket hög koncentration av spänningsaktiverade natriumkanaler. I allmänhet anses det vara spikinitieringszonen för aktionspotentialer, dvs triggerzonen . Flera signaler som genereras vid ryggarna och överförs av soma konvergerar alla här. Omedelbart efter axonkullen ligger axonet. Detta är ett tunt rörformigt utsprång som rör sig bort från soma. Axonet är isolerat av en myelinskida . Myelin består av antingen Schwann-celler (i det perifera nervsystemet) eller oligodendrocyter (i det centrala nervsystemet), som båda är typer av gliaceller . Även om gliaceller inte är involverade i överföringen av elektriska signaler, kommunicerar de och ger viktigt biokemiskt stöd till neuroner. För att vara specifik lindar myelin sig flera gånger runt det axonala segmentet och bildar ett tjockt fettlager som förhindrar joner från att komma in i eller fly axonet. Denna isolering förhindrar betydande signalavklingning samt säkerställer snabbare signalhastighet. Denna isolering har emellertid den begränsningen att inga kanaler kan finnas på axonets yta. Det finns därför regelbundet åtskilda membranlappar som inte har någon isolering. Dessa noder av Ranvier kan anses vara "mini-axonkullar", eftersom deras syfte är att förstärka signalen för att förhindra signifikant signalavklingning. Längst bort tappar axonet sin isolering och börjar förgrena sig till flera axonterminaler . Dessa presynaptiska terminaler, eller synaptiska boutons, är ett specialiserat område inom axonet av den presynaptiska cellen som innehåller neurotransmittorer inneslutna i små membranbundna sfärer som kallas synaptiska vesiklar .

Initiering

Innan man överväger spridningen av aktionspotentialer längs axoner och deras avslutning vid de synaptiska knopparna, är det bra att överväga metoderna med vilka aktionspotentialer kan initieras vid axonkullen . Grundkravet är att membranspänningen vid berget höjs över tröskeln för eldning. Det finns flera sätt på vilka denna depolarisering kan ske.

När en aktionspotential anländer till slutet av det presynaptiska axonet (överst), orsakar det frisättning av signalsubstansmolekyler som öppnar jonkanaler i den postsynaptiska neuronen (nederst). De kombinerade excitatoriska och hämmande postsynaptiska potentialerna hos sådana ingångar kan börja en ny aktionspotential i den postsynaptiska neuronen.

Dynamik

Aktionspotentialer initieras oftast av excitatoriska postsynaptiska potentialer från en presynaptisk neuron. Vanligtvis frisätts neurotransmittormolekyler av den presynaptiska neuronen . Dessa neurotransmittorer binder sedan till receptorer på den postsynaptiska cellen. Denna bindning öppnar olika typer av jonkanaler . Denna öppning har den ytterligare effekten att den förändrar cellmembranets lokala permeabilitet och därmed membranpotentialen. Om bindningen ökar spänningen (depolariserar membranet) är synapsen excitatorisk. Om bindningen däremot minskar spänningen (hyperpolariserar membranet) är det hämmande. Oavsett om spänningen ökas eller minskas, fortplantar förändringen sig passivt till närliggande områden av membranet (som beskrivs av kabelekvationen och dess förfining). Typiskt avtar spänningsstimulus exponentiellt med avståndet från synapsen och med tiden från bindningen av signalsubstansen. En del av en excitatorisk spänning kan nå axonkullen och kan (i sällsynta fall) depolarisera membranet tillräckligt för att provocera fram en ny aktionspotential. Mer typiskt måste de excitatoriska potentialerna från flera synapser arbeta tillsammans nästan samtidigt för att provocera fram en ny handlingspotential. Deras gemensamma ansträngningar kan dock omintetgöras av de motverkande hämmande postsynaptiska potentialerna .

Neurotransmission kan också ske genom elektriska synapser . På grund av den direkta kopplingen mellan exciterbara celler i form av gap junctions kan en aktionspotential överföras direkt från en cell till nästa i båda riktningarna. Det fria flödet av joner mellan celler möjliggör snabb icke-kemiskt förmedlad överföring. Likriktande kanaler säkerställer att aktionspotentialer endast rör sig i en riktning genom en elektrisk synaps. ^{[ citat behövs ]} Elektriska synapser finns i alla nervsystem, inklusive den mänskliga hjärnan, även om de är en distinkt minoritet.

"Allt-eller-ingen"-principen

Amplituden för en aktionspotential anses ofta vara oberoende av mängden ström som producerade den . Större strömmar skapar med andra ord inte större aktionspotentialer. Därför sägs aktionspotentialer vara allt-eller-ingen- signaler, eftersom de antingen inträffar helt eller inte alls. Detta i motsats till receptorpotentialer , vars amplituder är beroende av intensiteten av en stimulans. I båda fallen frekvensen av aktionspotentialer korrelerad med intensiteten av en stimulans.

Trots den klassiska synen på aktionspotentialen som en stereotyp, enhetlig signal som har dominerat neurovetenskapens område i många decennier, tyder nyare bevis på att aktionspotentialer verkligen är mer komplexa händelser som verkligen kan överföra information genom inte bara sin amplitud utan även genom sin varaktighet och varaktighet. fas också, ibland till och med upp till avstånd som ursprungligen inte troddes vara möjliga.

Sensoriska neuroner

I sensoriska neuroner kopplas en extern signal som tryck, temperatur, ljus eller ljud med öppning och stängning av jonkanaler , vilket i sin tur förändrar membranets joniska permeabilitet och dess spänning. Dessa spänningsförändringar kan återigen vara excitatoriska (depolariserande) eller hämmande (hyperpolariserande) och i vissa sensoriska neuroner kan deras kombinerade effekter depolarisera axonkullen tillräckligt för att provocera fram aktionspotentialer. Några exempel hos människor inkluderar luktreceptorneuronen och Meissners blodkropp , som är kritiska för luktsinne respektive känsel . Men inte alla sensoriska neuroner omvandlar sina externa signaler till aktionspotentialer; vissa har inte ens ett axon. Istället kan de omvandla signalen till frisättning av en neurotransmittor eller till kontinuerliga graderade potentialer , vilka båda kan stimulera efterföljande neuron(er) att avfyra en aktionspotential. Som exempel, i det mänskliga örat , omvandlar hårceller det inkommande ljudet till öppning och stängning av mekaniskt gated jonkanaler , vilket kan orsaka neurotransmittormolekyler att frigöras. På liknande sätt, i den mänskliga näthinnan , producerar inte de initiala fotoreceptorcellerna och nästa lager av celler (som omfattar bipolära celler och horisontella celler ) aktionspotentialer; endast vissa amakrinceller och det tredje lagret, ganglioncellerna , producerar aktionspotentialer, som sedan färdas upp i synnerven .

Pacemaker potential

I pacemakerpotentialer depolariseras cellen spontant (rät linje med uppåtlutning) tills den avfyrar en aktionspotential.

I sensoriska neuroner är aktionspotentialer ett resultat av en extern stimulans. Vissa exciterbara celler kräver dock ingen sådan stimulans för att avfyra: De depolariserar spontant sina axonkullar och eldaktionspotentialer i regelbunden takt, som en intern klocka. Spänningsspåren för sådana celler är kända som pacemakerpotentialer . Hjärtpacemakercellerna i sinoatrialknutan i hjärtat är ett bra exempel . Även om sådana pacemakerpotentialer har en naturlig rytm , kan den justeras av yttre stimuli; till exempel hjärtfrekvensen förändras av läkemedel såväl som signaler från de sympatiska och parasympatiska nerverna. De yttre stimulierna orsakar inte cellens upprepade avfyring, utan ändrar bara dess timing. I vissa fall kan regleringen av frekvensen vara mer komplex, vilket leder till mönster av aktionspotentialer, såsom bristning .

Faser

Handlingspotentialens förlopp kan delas in i fem delar: stigfasen, toppfasen, fallfasen, underskottsfasen och refraktärperioden. Under den stigande fasen depolariseras membranpotentialen (blir mer positiv). Den punkt där depolariseringen upphör kallas toppfasen. I detta skede når membranpotentialen ett maximum. Efter detta finns en fallande fas. Under detta skede blir membranpotentialen mer negativ och återgår till vilopotential. Underskotts- eller efterhyperpolariseringsfasen är den period under vilken membranpotentialen tillfälligt blir mer negativt laddad än när den är i vila (hyperpolariserad). Slutligen, den tid under vilken en efterföljande aktionspotential är omöjlig eller svår att avfyra kallas refraktärperioden, som kan överlappa med de andra faserna.

Handlingspotentialens förlopp bestäms av två kopplade effekter. Först öppnas och stängs spänningskänsliga jonkanaler som svar på förändringar i membranspänningen Vm _. Detta förändrar membranets permeabilitet för dessa joner. För det andra Em _, enligt Goldman-ekvationen , ändrar denna förändring Vm _i permeabilitet jämviktspotentialen , och därmed membranspänningen . Således påverkar membranpotentialen permeabiliteten, som sedan ytterligare påverkar membranpotentialen. Detta skapar möjlighet till positiv feedback , vilket är en viktig del av den stigande fasen av handlingspotentialen. En komplicerande faktor är att en enda jonkanal kan ha flera interna "grindar" som svarar på förändringar i Vm _. på motsatta sätt, eller med olika hastigheter Till exempel, även om en höjning av V _m öppnar de flesta grindar i den spänningskänsliga natriumkanalen, stänger den också kanalens "inaktiveringsport", om än långsammare. När Vm _. höjs plötsligt öppnas därför natriumkanalerna initialt, men stängs sedan på grund av den långsammare inaktiveringen

Spänningarna och strömmarna för aktionspotentialen i alla dess faser modellerades noggrant av Alan Lloyd Hodgkin och Andrew Huxley 1952, för vilket de tilldelades Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1963. Deras modell tar dock endast hänsyn till två typer av spänningskänsliga jonkanaler och gör flera antaganden om dem, t.ex. att deras inre grindar öppnas och stänger oberoende av varandra. I verkligheten finns det många typer av jonkanaler, och de öppnar och stänger inte alltid självständigt.

Stimulering och stigande fas

En typisk aktionspotential börjar vid axonkullen med en tillräckligt stark depolarisering, t.ex. en stimulans som ökar V _m . Denna depolarisering orsakas ofta av injektion av extra natriumkatjoner i cellen; dessa katjoner kan komma från en mängd olika källor, såsom kemiska synapser , sensoriska neuroner eller pacemakerpotentialer .

För en neuron i vila finns det en hög koncentration av natrium- och kloridjoner i den extracellulära vätskan jämfört med den intracellulära vätskan , medan det finns en hög koncentration av kaliumjoner i den intracellulära vätskan jämfört med den extracellulära vätskan. Skillnaden i koncentrationer, som får joner att flytta från en hög till en låg koncentration, och elektrostatiska effekter (attraktion av motsatta laddningar) är ansvariga för rörelsen av joner in och ut ur neuronen. Insidan av en neuron har en negativ laddning, i förhållande till cellens yttre, från rörelsen av K ⁺ ut ur cellen. Neuronmembranet är mer permeabelt för K ⁺ än för andra joner, vilket gör att denna jon selektivt kan röra sig ut ur cellen, nedför dess koncentrationsgradient. Denna koncentrationsgradient tillsammans med kaliumläckagekanaler som finns på neurons membran orsakar ett utflöde av kaliumjoner som gör vilopotentialen nära E _K ≈ –75 mV. Eftersom Na ⁺ -joner finns i högre koncentrationer utanför cellen, driver koncentrations- och spänningsskillnaderna dem in i cellen när Na ⁺ -kanaler öppnas. Depolarisering öppnar både natrium- och kaliumkanalerna i membranet, vilket gör att jonerna kan flöda in i respektive ut ur axonet. Om depolariseringen är liten (säg, ökar Vm _. från -70 mV till -60 mV), överväldigar den utåtriktade kaliumströmmen den inåtriktade natriumströmmen och membranet repolariseras tillbaka till sin normala vilopotential runt -70 mV Men om depolariseringen är tillräckligt stor ökar den inåtriktade natriumströmmen mer än den utåtriktade kaliumströmmen och ett skenande tillstånd ( positiv återkoppling ) uppstår: Vm , vilket i sin tur ökar den inåtriktade strömmen ytterligare. _ju mer inåtström det finns, desto mer ökar nuvarande. En tillräckligt stark depolarisering (ökning i _Vm ) gör att de spänningskänsliga natriumkanalerna öppnas; den ökande permeabiliteten för natrium driver V _m närmare natriumjämviktsspänningen E _Na ≈ +55 mV. Den ökande spänningen leder i sin tur till att ännu fler natriumkanaler öppnas, vilket pressar V _m ytterligare mot E _Na . Denna positiva återkoppling fortsätter tills natriumkanalerna är helt öppna och _Vm är nära E _Na . Den kraftiga ökningen av V _m och natriumpermeabilitet motsvarar aktionspotentialens stigande fas .

Den kritiska tröskelspänningen för detta flykttillstånd är vanligtvis runt −45 mV, men det beror på axonets senaste aktivitet. En cell som just har avfyrat en aktionspotential kan inte avfyra en annan omedelbart, eftersom Na ⁺ -kanalerna inte har återhämtat sig från det inaktiverade tillståndet. Den period under vilken ingen ny aktionspotential kan avfyras kallas den absoluta refraktärperioden . Vid längre tider, efter att några men inte alla jonkanaler har återhämtat sig, kan axonet stimuleras att producera en annan aktionspotential, men med en högre tröskel, vilket kräver en mycket starkare depolarisering, t.ex. till -30 mV. Den period under vilken aktionspotentialer är ovanligt svåra att framkalla kallas den relativa refraktärperioden .

Toppfas

Den positiva återkopplingen från stigfasen saktar ner och stannar när natriumjonkanalerna blir maximalt öppna. Vid toppen av aktionspotentialen är natriumpermeabiliteten maximerad och membranspänningen Vm är nästan _lika med natriumjämviktsspänningen E _Na . Men samma förhöjda spänning som öppnade natriumkanalerna till en början stänger också långsamt av dem genom att stänga deras porer; natriumkanalerna inaktiveras . Detta sänker membranets permeabilitet för natrium i förhållande till kalium, vilket driver membranspänningen tillbaka mot vilovärdet. Samtidigt öppnar den förhöjda spänningen spänningskänsliga kaliumkanaler; ökningen av membranets kaliumpermeabilitet driver V _m mot E _K . Tillsammans gör dessa förändringar i natrium- och kaliumpermeabiliteten att Vm sjunker snabbt, vilket repolariserar membranet och producerar den "fallande fasen" _av aktionspotentialen.

Efter hyperpolarisering

Den depolariserade spänningen öppnar ytterligare spänningsberoende kaliumkanaler, och vissa av dessa stänger inte direkt när membranet återgår till sin normala vilospänning. Dessutom ytterligare kaliumkanaler som svar på inflödet av kalciumjoner under aktionspotentialen. Den intracellulära koncentrationen Vm _av kaliumjoner är tillfälligt ovanligt låg, vilket gör membranspänningen ännu närmare kaliumjämviktsspänningen E _K . Membranpotentialen går under vilomembranpotentialen. Därför finns det en underskott eller hyperpolarisering , kallad en efterhyperpolarisering , som kvarstår tills membranets kaliumpermeabilitet återgår till sitt vanliga värde, vilket återställer membranpotentialen till vilotillståndet.

Refraktär period

Varje aktionspotential följs av en refraktär period , som kan delas upp i en absolut refraktär period , under vilken det är omöjligt att framkalla en annan aktionspotential, och sedan en relativ refraktär period , under vilken en starkare stimulans än vanligt krävs. Dessa två refraktära perioder orsakas av förändringar i tillståndet hos natrium- och kaliumkanalmolekyler. När de stängs efter en aktionspotential går natriumkanaler in i ett "inaktiverat" tillstånd , där de inte kan öppnas oavsett membranpotentialen - detta ger upphov till den absoluta refraktärperioden. Även efter att ett tillräckligt antal natriumkanaler har övergått tillbaka till sitt vilotillstånd, händer det ofta att en bråkdel av kaliumkanalerna förblir öppna, vilket gör det svårt för membranpotentialen att depolarisera, och därigenom ger upphov till den relativa refraktärperioden. Eftersom densiteten och undertyperna av kaliumkanaler kan skilja sig mycket mellan olika typer av neuroner, är varaktigheten av den relativa refraktärperioden mycket varierande.

Den absoluta refraktärperioden är till stor del ansvarig för den enkelriktade utbredningen av aktionspotentialer längs axoner. Vid varje givet ögonblick är axonfläcken bakom den aktivt spikande delen eldfast, men lappen framför, som inte har aktiverats nyligen, kan stimuleras av depolariseringen från aktionspotentialen.

Fortplantning

Aktionspotentialen som genereras vid axonkullen fortplantar sig som en våg längs axonet. Strömmarna som flyter inåt vid en punkt på axonet under en aktionspotential sprider sig längs axonet och depolariserar de intilliggande sektionerna av dess membran. Om den är tillräckligt stark, framkallar denna depolarisering en liknande aktionspotential vid de närliggande membranfläckarna. Denna grundläggande mekanism demonstrerades av Alan Lloyd Hodgkin 1937. Efter att ha krossat eller kylt ner nervsegment och därmed blockerat aktionspotentialerna visade han att en aktionspotential som anländer på ena sidan av blocket kunde provocera fram en annan aktionspotential på den andra, förutsatt att blockerade segmentet var tillräckligt kort.

När en aktionspotential har uppstått vid ett membranfläck behöver membranplåstret tid att återhämta sig innan det kan brinna igen. På molekylär nivå motsvarar denna absoluta refraktärperiod den tid som krävs för de spänningsaktiverade natriumkanalerna att återhämta sig från inaktivering, dvs att återgå till sitt stängda tillstånd. Det finns många typer av spänningsaktiverade kaliumkanaler i neuroner. Vissa av dem inaktiveras snabbt (strömmar av A-typ) och några av dem inaktiveras långsamt eller inaktiveras inte alls; denna variabilitet garanterar att det alltid kommer att finnas en tillgänglig strömkälla för repolarisering, även om några av kaliumkanalerna är inaktiverade på grund av föregående depolarisering. Å andra sidan inaktiveras alla neuronala spänningsaktiverade natriumkanaler inom flera millisekunder under stark depolarisering, vilket gör efterföljande depolarisering omöjlig tills en betydande del av natriumkanalerna har återgått till sitt stängda tillstånd. Även om det begränsar frekvensen av avfyring, säkerställer den absoluta refraktärperioden att aktionspotentialen bara rör sig i en riktning längs ett axon. Strömmarna som flyter in på grund av en aktionspotential sprider sig i båda riktningarna längs axonet. Emellertid kan endast den oavfyrade delen av axonet svara med en aktionspotential; delen som just har avfyrat svarar inte tills aktionspotentialen är säkert utanför räckhåll och kan inte återstimulera den delen. I den vanliga ortodromiska ledningen utbreder sig aktionspotentialen från axonkullen mot de synaptiska knopparna (de axonala ändarna); utbredning i motsatt riktning - känd som antidromisk ledning - är mycket sällsynt. Men om ett laboratorieaxon stimuleras i dess mitt, är båda halvorna av axonet "färska", dvs. obrända; då kommer två aktionspotentialer att genereras, den ena färdas mot axonkullen och den andra färdas mot de synaptiska knopparna.

Myelin och saltande ledning

Axons of neurons are wrapped by several myelin sheaths, which shield the axon from extracellular fluid. There are short gaps between the myelin sheaths known as nodes of Ranvier where the axon is directly exposed to the surrounding extracellular fluid.

I salterande ledning orsakar en aktionspotential vid en nod av Ranvier inåtgående strömmar som depolariserar membranet vid nästa nod, vilket provocerar en ny aktionspotential där; aktionspotentialen verkar "hoppa" från nod till nod.

För att möjliggöra snabb och effektiv transduktion av elektriska signaler i nervsystemet är vissa neuronala axoner täckta med myelinskidor . Myelin är ett multilamellärt membran som omsluter axonet i segment åtskilda av intervall som kallas Ranvier noder . Det produceras av specialiserade celler: Schwann-celler uteslutande i det perifera nervsystemet och oligodendrocyter uteslutande i det centrala nervsystemet . Myelinhölje minskar membrankapacitansen och ökar membranmotståndet i inter-nodintervallen, vilket möjliggör en snabb, saltande rörelse av aktionspotentialer från nod till nod. Myelinisering finns främst i ryggradsdjur , men ett analogt system har upptäckts i några ryggradslösa djur, såsom vissa arter av räkor . Inte alla neuroner hos ryggradsdjur är myeliniserade; till exempel är axoner av neuronerna som utgör det autonoma nervsystemet i allmänhet inte myeliniserade.

Myelin förhindrar joner från att komma in i eller lämna axonet längs myeliniserade segment. Som en allmän regel ökar myelinisering ledningshastigheten för aktionspotentialer och gör dem mer energieffektiva. Oavsett om det är salt eller inte, sträcker sig medelledningshastigheten för en aktionspotential från 1 meter per sekund (m/s) till över 100 m/s, och ökar i allmänhet med axonal diameter.

Aktionspotentialer kan inte fortplanta sig genom membranet i myeliniserade segment av axonet. Strömmen bärs emellertid av cytoplasman, vilket är tillräckligt för att depolarisera den första eller andra efterföljande noden av Ranvier . Istället provocerar jonströmmen från en aktionspotential vid en nod hos Ranvier en annan aktionspotential vid nästa nod; denna uppenbara "hoppning" av aktionspotentialen från nod till nod är känd som saltande ledning . Även om mekanismen för saltande ledning föreslogs 1925 av Ralph Lillie, kom de första experimentella bevisen för saltande ledning från Ichiji Tasaki och Taiji Takeuchi och från Andrew Huxley och Robert Stämpfli. Däremot, i omyeliniserade axon, provocerar aktionspotentialen en annan i membranet omedelbart intill, och rör sig kontinuerligt ner i axonet som en våg.

Jämförelse av ledningshastigheterna för myeliniserade och omyeliniserade axoner hos katten . Ledningshastigheten v för myeliniserade neuroner varierar ungefär linjärt med axondiametern d (det vill säga v ∝ d ), medan hastigheten för omyeliniserade neuroner varierar ungefär som kvadratroten ( v ∝ √ d ). De röda och blå kurvorna är passningar av experimentella data, medan de prickade linjerna är deras teoretiska extrapolationer.

Myelin har två viktiga fördelar: snabb ledningshastighet och energieffektivitet. För axoner större än en minimidiameter (ungefär 1 mikrometer ) ökar myelinisering ledningshastigheten för en aktionspotential, vanligtvis tiofaldigt. Omvänt, för en given ledningshastighet är myeliniserade fibrer mindre än deras omyeliniserade motsvarigheter. Till exempel rör sig aktionspotentialer med ungefär samma hastighet (25 m/s) i en myelinerad grodaxon och en omyelinerad bläckfiskjätteaxon , men grodaxonen har en ungefär 30 gånger mindre diameter och 1000 gånger mindre tvärsnittsarea . Dessutom, eftersom jonströmmarna är begränsade till Ranviers noder, "läcker" mycket färre joner över membranet, vilket sparar metabolisk energi. Denna besparing är en betydande selektiv fördel , eftersom det mänskliga nervsystemet använder cirka 20% av kroppens metaboliska energi.

Längden på axonernas myeliniserade segment är viktig för framgången med saltande ledning. De bör vara så långa som möjligt för att maximera ledningshastigheten, men inte så långa att den ankommande signalen är för svag för att provocera fram en aktionspotential vid nästa nod av Ranvier. I naturen är myeliniserade segment i allmänhet tillräckligt långa för att den passivt fortplantade signalen ska färdas under åtminstone två noder medan de bibehåller tillräckligt med amplitud för att avfyra en aktionspotential vid den andra eller tredje noden. Säkerhetsfaktorn för saltande ledning är således hög, vilket gör att överföringen kan kringgå noder i händelse av skada. Aktionspotentialer kan dock upphöra i förtid på vissa platser där säkerhetsfaktorn är låg, även i omyeliniserade neuroner; ett vanligt exempel är grenpunkten för ett axon, där det delar sig i två axoner.

Vissa sjukdomar bryter ned myelin och försämrar saltande ledning, vilket minskar ledningshastigheten för aktionspotentialer. Den mest kända av dessa är multipel skleros , där nedbrytningen av myelin försämrar koordinerad rörelse.

Kabelteori

Kabelteorins förenklade syn på en neuronal fiber. De anslutna RC-kretsarna motsvarar intilliggande segment av en passiv neurit . De extracellulära resistanserna r _e (motsvarigheterna till de intracellulära resistanserna r _i ) visas inte, eftersom de vanligtvis är försumbart små; det extracellulära mediet kan antas ha samma spänning överallt.

Flödet av strömmar inom en axon kan beskrivas kvantitativt med kabelteori och dess utarbetningar, såsom kompartmentmodellen. Kabelteorin utvecklades 1855 av Lord Kelvin för att modellera den transatlantiska telegrafkabeln och visades vara relevant för neuroner av Hodgkin och Rushton 1946. I enkel kabelteori behandlas neuronen som en elektriskt passiv, perfekt cylindrisk transmissionskabel, vilket kan beskrivas med en partiell differentialekvation

\tau {\frac {\partial V}{\partial t}}=\lambda ^{2}{\frac {\partial ^{ 2}V}{\partial x^{2}}}-V

där V ( x , t ) är spänningen över membranet vid en tidpunkt t och en position x längs nervcellens längd, och där λ och τ är de karakteristiska längd- och tidsskalorna på vilka dessa spänningar avtar som svar på ett stimulus . Med hänvisning till kretsschemat till höger kan dessa skalor bestämmas utifrån resistanser och kapacitanser per längdenhet.

\tau =\ r_{m}c_{m}\,

\lambda ={\sqrt {\frac {r_{m}}{r_ {\ell }}}}

Dessa tids- och längdskalor kan användas för att förstå ledningshastighetens beroende av neuronens diameter i omyeliniserade fibrer. rm _Till exempel ökar tidsskalan τ med både membranresistansen och _kapacitansen cm . När kapacitansen ökar måste mer laddning överföras för att producera en given transmembranspänning (genom ekvationen Q = CV ); när motståndet ökar överförs mindre laddning per tidsenhet, vilket gör jämvikten långsammare. På liknande sätt, om det inre motståndet per längdenhet ri _för är lägre i en axon än i en annan (t.ex. eftersom radien för den förra är större), blir den rumsliga avklingningslängden λ längre och ledningshastigheten en aktionspotential bör öka. Om transmembranresistansen rm _X ökas, sänker det den genomsnittliga "läckströmmen" över membranet, vilket också gör att blir längre, vilket ökar ledningshastigheten.

Uppsägning

Kemiska synapser

I allmänhet orsakar aktionspotentialer som når de synaptiska knopparna att en signalsubstans släpps ut i den synaptiska klyftan. Neurotransmittorer är små molekyler som kan öppna jonkanaler i den postsynaptiska cellen; de flesta axoner har samma signalsubstans på alla sina ändar. Ankomsten av aktionspotentialen öppnar spänningskänsliga kalciumkanaler i det presynaptiska membranet; inflödet av kalcium gör att vesiklar fyllda med neurotransmittorer migrerar till cellens yta och släpper ut sitt innehåll i synapspalten . Denna komplexa process hämmas av neurotoxinerna tetanospasmin och botulinumtoxin , som är ansvariga för tetanus respektive botulism .

Elektriska synapser mellan exciterbara celler tillåter joner att passera direkt från en cell till en annan, och är mycket snabbare än kemiska synapser .

Elektriska synapser

Vissa synapser avstår från "mellanmannen" av signalsubstansen och kopplar ihop de presynaptiska och postsynaptiska cellerna. När en aktionspotential når en sådan synaps, kan jonströmmarna som flyter in i den presynaptiska cellen passera barriären för de två cellmembranen och komma in i den postsynaptiska cellen genom porer som kallas connexons . Således kan jonströmmarna för den presynaptiska aktionspotentialen direkt stimulera den postsynaptiska cellen. Elektriska synapser möjliggör snabbare överföring eftersom de inte kräver långsam diffusion av neurotransmittorer över synapspalten. Därför används elektriska synapser när snabb respons och samordning av timing är avgörande, som i flyktreflexer , näthinnan hos ryggradsdjur och hjärtat .

Neuromuskulära knutpunkter

Ett specialfall av en kemisk synaps är den neuromuskulära korsningen , där axonet hos en motorneuron slutar på en muskelfiber . I sådana fall är den frigjorda signalsubstansen acetylkolin , som binder till acetylkolinreceptorn, ett integrerat membranprotein i membranet ( sarcolemma ) i muskelfibern. Emellertid förblir inte acetylkolin bundet; snarare dissocierar den och hydrolyseras av enzymet, acetylkolinesteras , som finns i synapsen. Detta enzym minskar snabbt stimulansen till muskeln, vilket gör att graden och tidpunkten för muskelkontraktion kan regleras noggrant. Vissa gifter inaktiverar acetylkolinesteras för att förhindra denna kontroll, såsom nervämnena sarin och tabun , och insekticiderna diazinon och malathion .

Andra celltyper

Hjärtats aktionspotentialer

Faser av en hjärtaktionspotential. Den kraftiga ökningen av spänningen ("0") motsvarar inflödet av natriumjoner, medan de två sönderfallen ("1" respektive "3") motsvarar natriumkanalinaktiveringen och det repolariserande utflödet av kaliumjoner. Den karakteristiska platån ("2") härrör från öppningen av spänningskänsliga kalciumkanaler .

Hjärtets aktionspotential skiljer sig från den neuronala aktionspotentialen genom att ha en utsträckt platå, där membranet hålls vid hög spänning i några hundra millisekunder innan det repolariseras av kaliumströmmen som vanligt. Denna platå beror på verkan av långsammare kalciumkanaler som öppnar och håller membranspänningen nära sin jämviktspotential även efter att natriumkanalerna har inaktiverats.

Hjärthandlingspotentialen spelar en viktig roll för att koordinera hjärtats sammandragning. Hjärtcellerna i den sinoatriala noden tillhandahåller pacemakerpotentialen som synkroniserar hjärtat. Dessa cellers aktionspotentialer fortplantar sig till och genom den atrioventrikulära noden (AV-noden), som normalt är den enda ledningsvägen mellan atrierna och ventriklarna . Aktionspotentialer från AV-noden färdas genom bunten av His och därifrån till Purkinje-fibrerna . Omvänt kan anomalier i hjärtaktionspotentialen – oavsett om de beror på en medfödd mutation eller skada – leda till mänskliga patologier, särskilt arytmier . Flera läkemedel mot arytmi verkar på hjärtverkan, såsom kinidin , lidokain , betablockerare och verapamil .

Muskulösa aktionspotentialer

Aktionspotentialen i en normal skelettmuskelcell liknar aktionspotentialen i neuroner. Aktionspotentialer är resultatet av depolariseringen av cellmembranet ( sarcolemma ), som öppnar spänningskänsliga natriumkanaler; dessa blir inaktiverade och membranet repolariseras genom den utåtriktade strömmen av kaliumjoner. Vilopotentialen före aktionspotentialen är typiskt -90mV, något mer negativ än typiska neuroner. Muskelaktionspotentialen varar ungefär 2–4 ms, den absoluta refraktärperioden är ungefär 1–3 ms och ledningshastigheten längs muskeln är ungefär 5 m/s. Aktionspotentialen frigör kalciumjoner som frigör tropomyosinet och låter muskeln dra ihop sig. Muskelaktionspotentialer provoceras av ankomsten av en presynaptisk neuronal aktionspotential vid den neuromuskulära korsningen , som är ett vanligt mål för neurotoxiner .

Växtverkanspotentialer

Växt- och svampceller är också elektriskt exciterbara. Den grundläggande skillnaden från djurens aktionspotentialer är att depolariseringen i växtceller inte åstadkommes genom upptag av positiva natriumjoner, utan genom frisättning av negativa kloridjoner . 1906 publicerade JC Bose de första mätningarna av aktionspotentialer i växter, som tidigare hade upptäckts av Burdon-Sanderson och Darwin. En ökning av cytoplasmatiska kalciumjoner kan vara orsaken till anjonfrisättning i cellen. Detta gör kalcium till en föregångare till jonrörelser, såsom inflödet av negativa kloridjoner och utflöde av positiva kaliumjoner, som ses i kornblad.

Det initiala inflödet av kalciumjoner utgör också en liten cellulär depolarisering, vilket gör att de spänningsstyrda jonkanalerna öppnas och tillåter full depolarisering att fortplantas av kloridjoner.

Vissa växter (t.ex. Dionaea muscipula ) använder natriumstyrda kanaler för att driva rörelser och i huvudsak "räkna". Dionaea muscipula , även känd som Venusflugfällan, finns i subtropiska våtmarker i North och South Carolina. När det finns dåliga näringsämnen i jorden förlitar sig flugfällan på en diet av insekter och djur. Trots forskning om växten saknas en förståelse bakom den molekylära grunden för Venus flugfällor och köttätande växter i allmänhet.

Det har dock gjorts mycket forskning om aktionspotentialer och hur de påverkar rörelse och urverk inom Venus flugfälla. Till att börja med är vilomembranpotentialen hos Venus flugfällan (-120mV) lägre än djurceller (vanligtvis -90mV till -40mV). Den lägre vilopotentialen gör det lättare att aktivera en aktionspotential. Sålunda, när en insekt landar på växtens fälla, utlöser den en hårliknande mekanoreceptor. Denna receptor aktiverar sedan en aktionspotential som varar cirka 1,5 ms. I slutändan orsakar detta en ökning av positiva kalciumjoner in i cellen, något som depolariserar den.

Flugfällan stängs dock inte efter en avtryckare. Istället kräver det aktivering av 2 eller fler hårstrån. Om bara ett hårstrå utlöses, kastar det aktiveringen som en falsk positiv. Vidare måste det andra håret aktiveras inom ett visst tidsintervall (0,75 s - 40 s) för att det ska registreras med den första aktiveringen. Således börjar en ansamling av kalcium och sakta faller från den första triggern. När den andra aktionspotentialen avfyras inom tidsintervallet, når den kalciumtröskeln för att depolarisera cellen, vilket stänger fällan på bytet inom en bråkdel av en sekund.

Tillsammans med den efterföljande frisättningen av positiva kaliumjoner innebär verkanspotentialen i växter en osmotisk förlust av salt (KCl). Medan djurets verkanspotential är osmotiskt neutral eftersom lika mängder inträdande natrium och utgående kalium upphäver varandra osmotiskt. Interaktionen mellan elektriska och osmotiska relationer i växtceller verkar ha uppstått från en osmotisk funktion av elektrisk excitabilitet i en gemensam encellig förfäder till växter och djur under föränderliga salthaltsförhållanden. Vidare ses den nuvarande funktionen av snabb signalöverföring som en nyare prestation av metazoanceller i en mer stabil osmotisk miljö. Det är troligt att den välbekanta signaleringsfunktionen för aktionspotentialer i vissa kärlväxter (t.ex. Mimosa pudica ) uppstod oberoende av den i metazoaniska exciterbara celler.

Till skillnad från den stigande fasen och toppen verkar den fallande fasen och efterhyperpolariseringen främst bero på katjoner som inte är kalcium. För att initiera repolarisering kräver cellen förflyttning av kalium ut ur cellen genom passiv transport på membranet. Detta skiljer sig från neuroner eftersom rörelsen av kalium inte dominerar minskningen av membranpotentialen; Faktum är att för att helt repolarisera, kräver en växtcell energi i form av ATP för att hjälpa till med frisättningen av väte från cellen – med hjälp av en transportör allmänt känd som H+-ATPas.

Taxonomisk fördelning och evolutionära fördelar

Handlingspotentialer finns i flercelliga organismer , inklusive växter , ryggradslösa djur som insekter och ryggradsdjur som reptiler och däggdjur . Svampar verkar vara huvuddelen av flercelliga eukaryoter som inte överför aktionspotentialer, även om vissa studier har föreslagit att dessa organismer också har en form av elektrisk signalering. Vilopotentialen, liksom storleken och varaktigheten av aktionspotentialen, har inte varierat mycket med evolutionen, även om ledningshastigheten varierar dramatiskt med axonal diameter och myelinisering.

Jämförelse av aktionspotentialer (AP) från ett representativt tvärsnitt av djur
Djur	Celltyp	Vilopotential (mV)	AP ökning (mV)	AP-längd (ms)	Ledningshastighet (m/s)
Bläckfisk ( Loligo )	Jätte axon	−60	120	0,75	35
Daggmask ( Lumbricus )	Median gigantisk fiber	−70	100	1.0	30
Kackerlacka ( Periplaneta )	Jättefiber	−70	80–104	0,4	10
Groda ( Rana )	Ischiasnervens axon	−60 till −80	110–130	1.0	7–30
Katt ( Felis )	Spinal motorneuron	−55 till −80	80–110	1–1,5	30–120

Med tanke på dess bevarande genom hela evolutionen, verkar aktionspotentialen ge evolutionära fördelar. En funktion av aktionspotentialer är snabb, långväga signalering inom organismen; ledningshastigheten kan överstiga 110 m/s, vilket är en tredjedel av ljudets hastighet . Som jämförelse rör sig en hormonmolekyl som transporteras i blodomloppet med ungefär 8 m/s i stora artärer. En del av denna funktion är den snäva koordinationen av mekaniska händelser, såsom sammandragning av hjärtat. En andra funktion är beräkningen associerad med dess generering. Eftersom det är en allt-eller-ingen-signal som inte avtar med överföringsavståndet, har aktionspotentialen liknande fördelar som digital elektronik . Integreringen av olika dendritiska signaler vid axonkullen och dess tröskelvärde för att bilda ett komplext tåg av aktionspotentialer är en annan form av beräkning, en som har utnyttjats biologiskt för att bilda centrala mönstergeneratorer och efterliknas i artificiella neurala nätverk .

Den gemensamma prokaryota/eukaryota förfadern, som levde för kanske fyra miljarder år sedan, tros ha haft spänningsstyrda kanaler. Denna funktionalitet var sannolikt, vid någon senare tidpunkt, tvärsyfte för att tillhandahålla en kommunikationsmekanism. Även moderna encelliga bakterier kan utnyttja aktionspotentialer för att kommunicera med andra bakterier i samma biofilm.

Experimentella metoder

Jätteaxoner av den långfenade kustbläckfisken ( Doryteuthis pealeii ) var avgörande för att forskare skulle förstå handlingspotentialen.

Studiet av aktionspotentialer har krävt utveckling av nya experimentella metoder. Det första arbetet, före 1955, utfördes i första hand av Alan Lloyd Hodgkin och Andrew Fielding Huxley , som tillsammans med John Carew Eccles belönades med 1963 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för deras bidrag till beskrivningen av nervens joniska bas. ledning. Den fokuserade på tre mål: isolera signaler från enstaka neuroner eller axoner, utveckla snabb, känslig elektronik och krympa elektroder tillräckligt för att spänningen inuti en enda cell skulle kunna registreras.

Det första problemet löstes genom att studera de gigantiska axonerna som finns i bläckfiskens nervceller ( Loligo forbesii och Doryteuthis pealeii , vid den tiden klassificerade som Loligo pealeii ). Dessa axoner är så stora i diameter (ungefär 1 mm, eller 100 gånger större än en typisk neuron) att de kan ses med blotta ögat, vilket gör dem lätta att extrahera och manipulera. De är dock inte representativa för alla exciterbara celler, och många andra system med aktionspotential har studerats.

Det andra problemet togs upp med den avgörande utvecklingen av spänningsklämman , som gjorde det möjligt för experimenterande att studera jonströmmarna som ligger bakom en aktionspotential isolerat, och eliminerade en nyckelkälla för elektroniskt brus , strömmen I _C förknippad med kapacitansen C i membranet . Eftersom strömmen är lika med C gånger förändringshastigheten för transmembranspänningen Vm , _. Vm _var lösningen att designa en krets som höll fixerad (noll förändringshastighet) oavsett strömmarna som flyter över membranet Således är strömmen som krävs för att hålla Vm vid ett fast värde en direkt reflektion av strömmen som flyter _genom membranet. Andra elektroniska framsteg inkluderade användningen av Faraday-burar och elektronik med hög ingångsimpedans , så att själva mätningen inte påverkade spänningen som mättes.

Det tredje problemet, att få elektroder som är tillräckligt små för att registrera spänningar inom en enda axon utan att störa den, löstes 1949 med uppfinningen av mikropipettelektroden i glas, som snabbt antogs av andra forskare. Förfiningar av denna metod kan producera elektrodspetsar som är så fina som 100 Å (10 nm ), vilket också ger hög ingångsimpedans. Aktionspotentialer kan också registreras med små metallelektroder placerade precis bredvid en neuron, med neurochips som innehåller EOSFETs , eller optiskt med färgämnen som är känsliga för Ca ²⁺ eller för spänning.

Som avslöjas av en patch clamp- elektrod har en jonkanal två tillstånd: öppen (hög konduktans) och stängd (låg konduktans).

Medan mikropipettelektroder i glas mäter summan av strömmarna som passerar genom många jonkanaler, blev det möjligt att studera de elektriska egenskaperna hos en enstaka jonkanal på 1970-talet med utvecklingen av lappklämman av Erwin Neher och Bert Sakmann . För denna upptäckt belönades de med Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1991. Patch-clamping verifierade att jonkanaler har diskreta konduktanstillstånd, såsom öppna, stängda och inaktiverade.

Optisk bildteknik har utvecklats under de senaste åren för att mäta aktionspotentialer, antingen via samtidiga multisite-inspelningar eller med ultraspatial upplösning. Med användning av spänningskänsliga färgämnen har aktionspotentialer registrerats optiskt från en liten fläck av kardiomyocytmembran .

Neurotoxiner

Tetrodotoxin är ett dödligt toxin som finns i blåsfisk som hämmar den spänningskänsliga natriumkanalen och stoppar aktionspotentialer.

Flera neurotoxiner , både naturliga och syntetiska, är utformade för att blockera verkanspotentialen. Tetrodotoxin från pufferfish och saxitoxin från Gonyaulax ( dinoflagellatsläktet som ansvarar för " red tides ") blockerar aktionspotentialer genom att hämma den spänningskänsliga natriumkanalen; på liknande sätt dendrotoxin från den svarta mamba -ormen den spänningskänsliga kaliumkanalen. Sådana hämmare av jonkanaler tjänar ett viktigt forskningssyfte, genom att tillåta forskare att "stänga av" specifika kanaler efter behag och på så sätt isolera de andra kanalernas bidrag; de kan också vara användbara för att rena jonkanaler genom affinitetskromatografi eller för att analysera deras koncentration. Sådana inhibitorer gör emellertid också effektiva neurotoxiner och har övervägts att användas som kemiska vapen . Neurotoxiner riktade mot insekters jonkanaler har varit effektiva insekticider ; ett exempel är det syntetiska permetrinet , som förlänger aktiveringen av de natriumkanaler som är involverade i aktionspotentialer. Insekternas jonkanaler skiljer sig så mycket från deras mänskliga motsvarigheter att det finns få biverkningar hos människor.

Historia

Hand drawn figure of two Purkinje cells side by side with dendrites projecting upwards that look like tree branches and a few axons projected downwards that connect to a few granule cells at the bottom of the drawing.

Bild av två Purkinje-celler (märkta som A ) tecknad av Santiago Ramón y Cajal 1899. Stora träd av dendriter matas in i soma , från vilken en enda axon kommer fram och rör sig generellt nedåt med några grenpunkter. De mindre cellerna märkta B är granulceller .

Elektricitetens roll i djurens nervsystem observerades först i dissekerade grodor av Luigi Galvani , som studerade den från 1791 till 1797. Galvanis resultat stimulerade Alessandro Volta att utveckla den voltaiska högen — det tidigaste kända elektriska batteriet — som han studerade med. djurelektricitet (som elektriska ålar ) och de fysiologiska svaren på applicerade likströmsspänningar .

Forskare på 1800-talet studerade utbredningen av elektriska signaler i hela nerver (dvs. knippen av neuroner ) och visade att nervvävnad bestod av celler , istället för ett sammankopplat nätverk av rör (ett retikulum ). Carlo Matteucci följde upp Galvanis studier och visade att cellmembranen hade en spänning över sig och kunde producera likström . Matteuccis arbete inspirerade den tyske fysiologen Emil du Bois-Reymond , som upptäckte aktionspotentialen 1843. Överledningshastigheten för aktionspotentialer mättes först 1850 av du Bois-Reymonds vän, Hermann von Helmholtz . För att fastställa att nervvävnad består av diskreta celler använde den spanske läkaren Santiago Ramón y Cajal och hans elever en färg som utvecklats av Camillo Golgi för att avslöja de otaliga formerna av neuroner, som de utförde mödosamt. För sina upptäckter tilldelades Golgi och Ramón y Cajal 1906 Nobelpriset i fysiologi . Deras arbete löste en långvarig kontrovers inom neuroanatomin på 1800-talet; Golgi hade själv argumenterat för nätverksmodellen av nervsystemet.

Cartoon diagram of the sodium–potassium pump drawn vertically imbedded in a schematic diagram of a lipid bilayer represented by two parallel horizontal lines. The portion of the protein that is imbedded in the lipid bilayer is composed largely of anti-parallel beta sheets. There is also a large intracellular domain of the protein with a mixed alpha-helix/beta-sheet structure.

Banddiagram över natrium-kalium-pumpen i dess E2-Pi-tillstånd. De uppskattade gränserna för lipiddubbelskiktet visas som blå (intracellulära) och röda (extracellulära) plan.

1900-talet var en betydande era för elektrofysiologi. År 1902 och igen 1912 Julius Bernstein fram hypotesen att aktionspotentialen berodde på en förändring i permeabiliteten hos det axonala membranet för joner. Bernsteins hypotes bekräftades av Ken Cole och Howard Curtis, som visade att membrankonduktansen ökar under en aktionspotential. 1907 Louis Lapicque att aktionspotentialen genererades när en tröskel passerades, vad som senare skulle visas som en produkt av jonkonduktansernas dynamiska system . År 1949 förfinade Alan Hodgkin och Bernard Katz Bernsteins hypotes genom att överväga att det axonala membranet kan ha olika permeabiliteter för olika joner; i synnerhet visade de den avgörande roll som natriumpermeabiliteten har för aktionspotentialen. De gjorde den första faktiska registreringen av de elektriska förändringarna över det neuronala membranet som förmedlar aktionspotentialen. Denna forskningslinje kulminerade i de fem artiklarna från Hodgkin, Katz och Andrew Huxley från 1952 , där de tillämpade spänningsklämtekniken för att bestämma beroendet av det axonala membranets permeabilitet för natrium- och kaliumjoner på spänning och tid, från vilken de kunde att rekonstruera aktionspotentialen kvantitativt. Hodgkin och Huxley korrelerade egenskaperna hos deras matematiska modell med diskreta jonkanaler som kunde existera i flera olika tillstånd, inklusive "öppen", "stängd" och "inaktiverad". Deras hypoteser bekräftades i mitten av 1970- och 1980-talen av Erwin Neher och Bert Sakmann , som utvecklade tekniken för patch-clamping för att undersöka konduktanstillstånden hos enskilda jonkanaler. Under 2000-talet börjar forskare förstå den strukturella grunden för dessa konduktanstillstånd och för selektiviteten hos kanaler för deras jonart, genom kristallstrukturer med atomupplösning, fluorescensavståndsmätningar och studier av kryoelektronmikroskopi .

Julius Bernstein var också den första som introducerade Nernst-ekvationen för vilopotential över membranet; detta generaliserades av David E. Goldman till den självbetitlade Goldman-ekvationen 1943. Natrium-kaliumpumpen identifierades 1957 och dess egenskaper klargjordes gradvis, vilket kulminerade i bestämningen av dess atomupplösningsstruktur genom röntgenkristallografi . Kristallstrukturerna för relaterade jonpumpar har också lösts, vilket ger en bredare bild av hur dessa molekylära maskiner fungerar.

Kvantitativa modeller

Circuit diagram depicting five parallel circuits that are interconnected at the top to the extracellular solution and at the bottom to the intracellular solution.

Ekvivalent elektrisk krets för Hodgkin-Huxley-modellen av aktionspotentialen. Im _, och Vm representerar strömmen genom, respektive spänningen över _en liten membranfläck. C fyra _m representerar kapacitansen för membranlappen, medan de fyra g representerar konduktanserna för typer av joner . De två konduktanserna till vänster, för kalium (K) och natrium (Na), visas med pilar för att indikera att de kan variera med den pålagda spänningen, motsvarande de spänningskänsliga jonkanalerna . De två konduktanserna till höger hjälper till att bestämma vilomembranpotentialen .

Matematiska och beräkningsmodeller är viktiga för att förstå handlingspotentialen och erbjuder förutsägelser som kan testas mot experimentella data, vilket ger ett strikt test av en teori. Den viktigaste och mest exakta av de tidiga neurala modellerna är Hodgkin-Huxley-modellen , som beskriver aktionspotentialen genom en kopplad uppsättning av fyra vanliga differentialekvationer (ODEs). Även om Hodgkin-Huxley-modellen kan vara en förenkling med få begränsningar jämfört med det realistiska nervmembranet som det finns i naturen, har dess komplexitet inspirerat flera ännu mer förenklade modeller, såsom Morris-Lecar-modellen och FitzHugh- Nagumo - modellen , som båda endast har två kopplade ODE. Egenskaperna hos modellerna Hodgkin–Huxley och FitzHugh–Nagumo och deras släktingar, såsom Bonhoeffer–Van der Pol-modellen, har studerats väl inom matematik, beräkning och elektronik. Men de enkla modellerna av generatorpotential och aktionspotential misslyckas med att exakt reproducera den nära tröskeln neurala spikhastigheten och spikformen, specifikt för mekanoreceptorer som Pacinian - kroppen . Modernare forskning har fokuserat på större och mer integrerade system; genom att sammanfoga aktionspotentialmodeller med modeller av andra delar av nervsystemet (som dendriter och synapser), kan forskare studera neurala beräkningar och enkla reflexer , såsom flyktreflexer och andra som styrs av centrala mönstergeneratorer .

Se även

Anteckningar

^ I allmänhet, även om denna enkla beskrivning av aktionspotentialinitiering är korrekt, förklarar den inte fenomen som excitationsblock (förmågan att förhindra neuroner från att framkalla aktionspotentialer genom att stimulera dem med stora strömsteg) och förmågan att framkalla aktionspotentialer genom att hyperpolariserar kort membranet. Genom att analysera dynamiken i ett system av natrium- och kaliumkanaler i ett membranplåster med hjälp av beräkningsmodeller kan dessa fenomen dock lätt förklaras.
^ Observera att dessa Purkinjefibrer är muskelfibrer och inte relaterade till Purkinjecellerna , som är nervceller som finns i lillhjärnan .

Fotnoter

Tidskriftsartiklar

Böcker

Anderson JA, Rosenfeld E, red. (1988). Neurocomputing: Forskningens grunder . Cambridge, Massachusetts: MIT Press. ISBN 978-0-262-01097-9 . LCCN 87003022 . OCLC 15860311 .
Bernstein J (1912). Elektrobiologie, die Lehre von den elektrischen Vorgängen im Organismus auf moderner Grundlage dargestellt [ Elektrisk biologi, studiet av de elektriska processerna i organismen representerade på modern basis] . Braunschweig: Vieweg und Sohn. LCCN 12027986 . OCLC 11358569 .
Bower JM, Beeman D (1995). The Book of GENESIS: Utforska realistiska neurala modeller med det allmänna neurala simuleringssystemet . Santa Clara, Kalifornien: TELOS. ISBN 978-0-387-94019-9 . LCCN 94017624 . OCLC 30518469 .
Brazier MA (1961). En historia om hjärnans elektriska aktivitet . London: Pitman. LCCN 62001407 . OCLC 556863 .
Bullock TH , Horridge GA (1965). Struktur och funktion i nervsystemet hos ryggradslösa djur . En serie böcker i biologi. San Francisco: WH Freeman. LCCN 65007965 . OCLC 558128 .
Bullock TH , Orkand R, Grinnell A (1977). Introduktion till nervsystemet . En serie böcker i biologi. San Francisco: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0030-2 . LCCN 76003735 . OCLC 2048177 .
Fält J, red. (1959). Handbook of Physiology: en kritisk, omfattande presentation av fysiologisk kunskap och begrepp: Avsnitt 1: Neurofysiologi . Vol. 1. Washington, DC: American Physiological Society. LCCN 60004587 . OCLC 830755894 .
Ganong, WF (1991). Genomgång av medicinsk fysiologi . Ganong's Review of Medical Physiology (15:e upplagan). Norwalk, Connecticut: Appleton och Lange. ISBN 978-0-8385-8418-7 . ISSN 0892-1253 . LCCN 87642343 . OCLC 23761261 .
Guckenheimer J, Holmes P, red. (1986). Icke-linjära oscillationer, dynamiska system och bifurkationer av vektorfält . Tillämpade matematiska vetenskaper. Vol. 42 (andra upplagan). New York: Springer Verlag. ISBN 978-0-387-90819-9 . OCLC 751129941 .
Hoppensteadt FC (1986). En introduktion till neuronernas matematik . Cambridge studier i matematisk biologi. Vol. 6. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-31574-6 . LCCN 85011013 . OCLC 12052275 .
Junge D (1981). Nerv- och muskelexcitation (2:a upplagan). Sunderland, Mass.: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-410-2 . LCCN 80018158 . OCLC 6486925 .
Kettenmann H, Grantyn R, red. (1992). Praktiska elektrofysiologiska metoder: En guide för in vitro-studier i neurobiologi hos ryggradsdjur . New York: Wiley. ISBN 978-0-471-56200-9 . LCCN 92000179 . OCLC 25204689 .
Keynes RD , Aidley DJ (1991). Nerv och muskel (2:a uppl.). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-41042-7 . LCCN 90015167 . OCLC 25204483 .
Koch C , Segev I, red. (1989). Metoder i neuronmodellering: från synapser till nätverk . Cambridge, Massachusetts: MIT Press. ISBN 978-0-262-11133-1 . LCCN 88008279 . OCLC 18384545 .
Lavallée M, Schanne OF, Hébert NC, red. (1969). Mikroelektroder av glas . New York: Wiley. ISBN 978-0-471-51885-3 . LCCN 68009252 . OCLC 686 .
McCulloch WS (1988). Förkroppsliganden av sinnet . Cambridge, Massachusetts: MIT Press. ISBN 978-0-262-63114-3 . LCCN 88002987 . OCLC 237280 .
McHenry LC, Garrison FH (1969). Garnisons historia om neurologi . Springfield, Illinois: Charles C. Thomas. OCLC 429733931 .
Silverthorn DU (2010). Human Physiology: An Integrated Approach (5:e upplagan). San Francisco: Pearson. ISBN 978-0-321-55980-7 . LCCN 2008050369 . OCLC 268788623 .
Spanswick RM, Lucas WJ, Dainty J, red. (1980). Växtmembrantransport: Aktuella konceptuella frågor . Utvecklingen inom växtbiologi. Vol. 4. Amsterdam: Elsevier Biomedical Press. ISBN 978-0-444-80192-0 . LCCN 79025719 . OCLC 5799924 .
Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Hall WC, Lamantia AS, McNamara JO, Williams SM (2001). "Frisättning av sändare från synaptiska vesiklar" . Neurovetenskap (2:a upplagan). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-742-4 . LCCN 00059496 . OCLC 806472664 .
Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Hall WC, Lamantia AS, McNamara JO, White LE (2008). Neurovetenskap (4:e upplagan). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-697-7 . LCCN 2007024950 . OCLC 144771764 .
Reeke GN, Poznanski RR, Sporns O, Rosenberg JR, Lindsay KA, red. (2005). Modellering inom neurovetenskap: från biologiska system till neuromimetisk robotik . Boca Raton, Fla.: Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-32868-5 . LCCN 2005298022 . OCLC 489024131 .
Schmidt-Nielsen K (1997). Animal Physiology: Adaptation and Environment (5:e upplagan). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-57098-5 . LCCN 96039295 . OCLC 35744403 .
Schwann HP, red. (1969). Biologisk teknik . Inter-University Electronics Series. Vol. 9. New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-055734-5 . LCCN 68027513 . OCLC 51993 .
Stevens CF (1966). Neurofysiologi: A Primer . New York: John Wiley and Sons. ISBN 9780471824367 . LCCN 66015872 . OCLC 1175605 .
Waxman SG, red. (2007). Molekylär neurologi . Burlington, Mass.: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0-12-369509-3 . LCCN 2008357317 . OCLC 154760295 .
Worden FG, Swazey JP, Adelman G, red. (1975). Neurovetenskaperna, upptäcktens vägar . Cambridge, Massachusetts: MIT Press. ISBN 978-0-262-23072-8 . LCCN 75016379 . OCLC 1500233 .

webbsidor

Vidare läsning

Aidley DJ, Stanfield PR (1996). Jonkanaler: Molecules in Action . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-49882-1 .
Bear MF, Connors BW, Paradiso MA (2001). Neurovetenskap: Utforska hjärnan . Baltimore: Lippincott. ISBN 0-7817-3944-6 .
Clay JR (maj 2005). "Axonal excitabilitet återbesökt" . Framsteg inom biofysik och molekylärbiologi . 88 (1): 59–90. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2003.12.004 . PMID 15561301 .
Deutsch S, Micheli-Tzanakou E (1987). Neuroelektriska system . New York: New York University Press. ISBN 0-8147-1782-9 .
Hille B (2001). Jonkanaler av exciterande membran (3:e upplagan). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-321-1 .
Johnston D, Wu SM (1995). Grunderna för cellulär neurofysiologi . Cambridge, Massachusetts: Bradford Book, The MIT Press. ISBN 0-262-10053-3 .
Kandel ER , Schwartz JH, Jessell TM (2000). Principles of Neural Science (4:e upplagan). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-8385-7701-6 .
Miller C (1987). "Hur jonkanalproteiner fungerar". I Kaczmarek LK, Levitan IB (red.). Neuromodulering: Den biokemiska kontrollen av neuronal excitabilitet . New York: Oxford University Press. s. 39–63. ISBN 978-0-19-504097-5 .
Nelson DL, Cox MM (2008). Lehninger Principles of Biochemistry (5:e upplagan). New York: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-7108-1 .

externa länkar

Lyssna på den här artikeln ( 10 minuter )

Denna ljudfil skapades från en revidering av denna artikel daterad 22 juni 2005 och återspeglar inte efterföljande redigeringar.

Joniskt flöde i aktionspotentialer på Blackwell Publishing
Aktionspotential förökning i myeliniserade och omyeliniserade axoner vid Blackwell Publishing
Generering av AP i hjärtceller och generering av AP i neuronceller
Vilande membranpotential från Life: The Science of Biology , av WK Purves, D Sadava, GH Orians och HC Heller, 8:e upplagan, New York: WH Freeman, ISBN 978-0-7167-7671-0 .
Jonisk rörelse och Goldman-spänningen för godtyckliga jonkoncentrationer vid University of Arizona
En tecknad film som illustrerar handlingspotentialen
Aktionspotential spridning
Produktion av aktionspotentialen: spännings- och strömklämningssimuleringar ^{[ permanent död länk ]}
Programvara med öppen källkod för att simulera neuronala och hjärtaktionspotentialer på SourceForge.net
Introduktion till Action Potential , Neuroscience Online (elektronisk neurovetenskap lärobok av UT Houston Medical School)
Khan Academy: Elektrotonisk och actionpotential Arkiverad 2 juli 2014 på Wayback Machine

[15] I allmänhet, även om denna enkla beskrivning av aktionspotentialinitiering är korrekt, förklarar den inte fenomen som excitationsblock (förmågan att förhindra neuroner från att framkalla aktionspotentialer genom att stimulera dem med stora strömsteg) och förmågan att framkalla aktionspotentialer genom att hyperpolariserar kort membranet. Genom att analysera dynamiken i ett system av natrium- och kaliumkanaler i ett membranplåster med hjälp av beräkningsmodeller kan dessa fenomen dock lätt förklaras.

[99] Observera att dessa Purkinjefibrer är muskelfibrer och inte relaterade till Purkinjecellerna , som är nervceller som finns i lillhjärnan .