BOX  2 A    ◊ The Remarkable Giant Nerve Cells of Squid

Many of the initial insights into how ion concentration gradients and changes in membrane permeability produce electrical signals came from experiments performed on the extraordinarily large nerve cells of squid. The axons of these nerve cells can be up to 1 mm in diameter—100 to 1000 times larger than mammalian axons. Thus, squid axons are large enough to allow experiments that would be impossible on most other nerve cells. For example, it is not difficult to insert simple wire electrodes inside these giant axons and make reliable electrical measurements. The relative ease of this approach yielded the first direct recordings of action potentials from nerve cells and, as discussed in the next chapter, the first experimental measurements of the ion currents that produce action potentials. It also is practical to extrude the cytoplasm from giant axons and measure its ionic composition (see Table 2.1). In addition, some giant nerve cells form synaptic contacts with other giant nerve cells, producing very large synapses that have been extraordinarily valuable in understanding the fundamental mechanisms of synaptic transmission (see Chapter 5).

کادر ۲ الف ◊ سلول‌های عصبی غول‌پیکر شگفت‌انگیز ماهی مرکب

بسیاری از بینش‌های اولیه در مورد چگونگی تولید سیگنال‌های الکتریکی توسط گرادیان‌های غلظت یون و تغییرات در نفوذپذیری غشا، از آزمایش‌های انجام شده بر روی سلول‌های عصبی فوق‌العاده بزرگ ماهی مرکب حاصل شده است. آکسون‌های این سلول‌های عصبی می‌توانند تا ۱ میلی‌متر قطر داشته باشند  ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر بزرگتر از آکسون‌های پستانداران. بنابراین، آکسون‌های ماهی مرکب به اندازه کافی بزرگ هستند که امکان آزمایش‌هایی را فراهم کنند که در اکثر سلول‌های عصبی دیگر غیرممکن است. به عنوان مثال، قرار دادن الکترودهای سیمی ساده در داخل این آکسون‌های غول‌پیکر و انجام اندازه‌گیری‌های الکتریکی قابل اعتماد دشوار نیست. سهولت نسبی این رویکرد، اولین ثبت‌های مستقیم پتانسیل‌های عمل از سلول‌های عصبی و همانطور که در فصل بعد مورد بحث قرار می‌گیرد، اولین اندازه‌گیری‌های تجربی جریان‌های یونی که پتانسیل‌های عمل را تولید می‌کنند، را به همراه داشت. همچنین می‌توان سیتوپلاسم را از آکسون‌های غول‌پیکر خارج کرد و ترکیب یونی آن را اندازه‌گیری کرد (به جدول ۲.۱ مراجعه کنید). علاوه بر این، برخی از سلول‌های عصبی غول‌پیکر با سایر سلول‌های عصبی غول‌پیکر تماس‌های سیناپسی برقرار می‌کنند و سیناپس‌های بسیار بزرگی تولید می‌کنند که در درک مکانیسم‌های اساسی انتقال سیناپسی فوق‌العاده ارزشمند بوده‌اند (به فصل 5 مراجعه کنید).

Giant neurons evidently evolved in squid because they enhanced the animal’s survival. These neurons participate in a simple neural circuit that activates the contraction of the mantle muscle, producing a jet propulsion effect that allows the squid to move away from predators at a remarkably fast speed. As discussed in Chapter 3, larger axonal diameter allows faster conduction of action potentials. Thus, these huge nerve cells must help squid escape more successfully from their numerous enemies.

نورون‌های غول‌پیکر ظاهراً در ماهی مرکب تکامل یافته‌اند زیرا بقای حیوان را افزایش داده‌اند. این نورون‌ها در یک مدار عصبی ساده شرکت می‌کنند که انقباض عضله‌ی جبه را فعال می‌کند و یک اثر پیشرانش جت ایجاد می‌کند که به ماهی مرکب اجازه می‌دهد با سرعتی فوق‌العاده زیاد از شکارچیان دور شود. همانطور که در فصل 3 بحث شد، قطر آکسونی بزرگتر امکان هدایت سریع‌تر پتانسیل‌های عمل را فراهم می‌کند. بنابراین، این سلول‌های عصبی عظیم باید به ماهی مرکب کمک کنند تا با موفقیت بیشتری از دشمنان متعدد خود فرار کند.

Today—more than 75 years after their discovery by John Z. Young at University College London—the giant nerve cells of squid remain useful experimental systems for probing basic neuronal functions.

امروزه – بیش از 75 سال پس از کشف آنها توسط جان ز. یانگ در دانشگاه کالج لندن – سلول‌های عصبی غول‌پیکر ماهی مرکب همچنان سیستم‌های آزمایشی مفیدی برای بررسی عملکردهای عصبی پایه هستند.

(A) Diagram of a squid, showing the location of its giant nerve cells. Different colors indicate the neuronal components of the escape circuitry. The firstand second-level neurons originate in the brain, while the third-level neurons are in the stellate ganglion and innervate muscle cells of the mantle. (B) Giant synapses within the stellate ganglion. The second-level neuron forms a series of fingerlike processes, each of which makes an extraordinarily large synapse with a single third-level neuron. (C) Structure of a giant axon of a third-level neuron lying within its nerve. The enormous difference in the diameters of a squid giant axon and a mammalian axon are shown below.

(الف) نمودار یک ماهی مرکب، محل سلول‌های عصبی غول‌پیکر آن را نشان می‌دهد. رنگ‌های مختلف اجزای عصبی مدار فرار را نشان می‌دهند. نورون‌های سطح اول و دوم از مغز منشأ می‌گیرند، در حالی که نورون‌های سطح سوم در گانگلیون ستاره‌ای قرار دارند و سلول‌های عضلانی جبه را عصب‌دهی می‌کنند. (ب) سیناپس‌های غول‌پیکر درون گانگلیون ستاره‌ای. نورون سطح دوم مجموعه‌ای از زوائد انگشت‌مانند را تشکیل می‌دهد که هر کدام یک سیناپس فوق‌العاده بزرگ با یک نورون سطح سوم واحد می‌سازند. (ج) ساختار یک آکسون غول‌پیکر از یک نورون سطح سوم که درون عصب آن قرار دارد. تفاوت زیاد در قطر آکسون غول‌پیکر ماهی مرکب و آکسون پستانداران در زیر نشان داده شده است.

The contribution of these other ions is particularly evident at low external K⁺ levels, again as predicted by the Goldman equation. In general, however, manipulation of the external concentrations of these other ions has only a small effect (see Figure 2.9E), emphasizing that K⁺ permeability is indeed the primary source of the resting membrane potential.

سهم این یون‌های دیگر به ویژه در سطوح پایین ⁺K خارجی مشهود است، همانطور که توسط معادله گلدمن پیش‌بینی شده است. با این حال، به طور کلی، دستکاری غلظت‌های خارجی این یون‌های دیگر تنها تأثیر کمی دارد (شکل 2.9E را ببینید)، که تأکید می‌کند نفوذپذیری ⁺K در واقع منبع اصلی پتانسیل استراحت غشاء است.

In summary, Hodgkin and Katz showed that the inside-negative resting potential arises because (1) the membrane of the resting neuron is more permeable to K⁺ than to any of the other ions present, and (2) there is more K⁺ inside the neuron than outside. The selective permeability to K⁺ is caused by K⁺-permeable membrane channels that are open in resting neurons, while the large K⁺ concentration gradient is produced by membrane transporters that selectively accumulate K⁺ within neurons. Many subsequent studies have confirmed the general validity of these principles.

به طور خلاصه، هاجکین و کاتز نشان دادند که پتانسیل استراحت منفی-داخلی به این دلیل ایجاد می‌شود که (1) غشای نورون در حال استراحت نسبت به یون‌های دیگر موجود، نفوذپذیرتر است و (2) یون‌های پتاسیم بیشتری در داخل نورون نسبت به بیرون آن وجود دارد. نفوذپذیری انتخابی به یون پتاسیم توسط کانال‌های غشایی نفوذپذیر به یون پتاسیم که در نورون‌های در حال استراحت باز هستند، ایجاد می‌شود، در حالی که گرادیان غلظت بالای یون پتاسیم توسط ناقل‌های غشایی ایجاد می‌شود که به طور انتخابی یون پتاسیم را در نورون‌ها جمع می‌کنند. بسیاری از مطالعات بعدی، اعتبار کلی این اصول را تأیید کرده‌اند.

The Ionic Basis of Action Potentials

What causes the membrane potential of a neuron to depolarize during an action potential? Although a general answer to this question has been given (i.e., increased permeability to Na⁺), it is well worth examining the most persuasive experimental support for this concept. Given the data in Table 2.1, one can use the Nernst equation to calculate that the equilibrium potential for Na⁺ (E _Na) in neurons, and indeed in most cells, is positive. Thus, if the membrane were to become highly permeable to Na⁺, the membrane potential would become positive. Based on these considerations, Hodgkin and Katz hypothesized that the action potential arises because the neuronal membrane becomes temporarily permeable to Na⁺.

اساس یونی پتانسیل‌های عمل

چه چیزی باعث دپلاریزه شدن پتانسیل غشای یک نورون در طول پتانسیل عمل می‌شود؟ اگرچه یک پاسخ کلی به این سوال داده شده است (یعنی افزایش نفوذپذیری به ⁺Na)، بررسی قانع‌کننده‌ترین پشتیبانی تجربی برای این مفهوم ارزشش را دارد. با توجه به داده‌های جدول 2.1، می‌توان از معادله نرنست برای محاسبه پتانسیل تعادل برای Na⁺ (E _Na) در نورون‌ها و در واقع در بیشتر سلول‌ها استفاده کرد. بنابراین، اگر غشا به ⁺Na نفوذپذیری بالایی پیدا کند، پتانسیل غشا مثبت می‌شود. بر اساس این ملاحظات، هاجکین و کاتز فرض کردند که پتانسیل عمل به این دلیل ایجاد می‌شود که غشای نورونی به طور موقت به ⁺Na نفوذپذیر می‌شود.

Taking advantage of the same style of ion substitution experiment they used to assess the ionic basis of the resting potential, Hodgkin and Katz tested the role of Na⁺ in generating the action potential by asking what happens to the action potential when Na⁺ is removed from the external medium. They found that lowering the external Na+ concentration reduces both the rate of rise of the action potential and its peak amplitude (Figure 2.9A–C). Indeed, when they examined this Na⁺ dependence quantitatively, they found a more-or-less linear relationship between the amplitude of the action potential and the logarithm of the external Na⁺ concentration (Figure 2.9D). The slope of this relationship approached a value of 58 mV per tenfold change in Na⁺ concentration, as expected for a membrane selectively permeable to Na⁺. In contrast, lowering Na⁺ concentration had very little effect on the resting membrane potential (Figure 2.9E). Thus, while the resting neuronal membrane is only slightly permeable to Na⁺, the membrane becomes extraordinarily permeable to Na⁺ during the rising phase and the overshoot phase of an action potential. (Box 2B further explains action potential nomenclature.) This temporary increase in Na⁺ permeability results from the opening of Na⁺-selective channels that are closed in the resting state. Membrane pumps maintain a large electrochemical gradient for Na⁺, which is in much higher concentration outside the neuron than inside. This causes Na⁺ to flow into the neuron when the Na⁺ channels open, making the membrane potential depolarize and approach E _Na.

هاجکین و کاتز با بهره‌گیری از همان سبک آزمایش جایگزینی یون که برای ارزیابی پایه یونی پتانسیل استراحت استفاده کرده بودند، نقش ⁺Na را در ایجاد پتانسیل عمل با پرسیدن اینکه وقتی ⁺Na از محیط خارجی حذف می‌شود چه اتفاقی برای پتانسیل عمل می‌افتد، آزمایش کردند. آنها دریافتند که کاهش غلظت ⁺Na خارجی، هم سرعت افزایش پتانسیل عمل و هم دامنه اوج آن را کاهش می‌دهد (شکل 2.9A-C). در واقع، هنگامی که آنها این وابستگی ⁺Na را به صورت کمی بررسی کردند، یک رابطه کم و بیش خطی بین دامنه پتانسیل عمل و لگاریتم غلظت ⁺Na خارجی یافتند (شکل 2.9D). شیب این رابطه به ازای هر ده برابر تغییر در غلظت ⁺Na به مقدار 58 میلی‌ولت نزدیک شد، همانطور که برای غشایی که به طور انتخابی نسبت به ⁺Na نفوذپذیر است، انتظار می‌رود. در مقابل، کاهش غلظت ⁺Na تأثیر بسیار کمی بر پتانسیل استراحت غشاء داشت (شکل 2.9E). بنابراین، در حالی که غشای نورونی در حال استراحت فقط کمی نسبت به ⁺Na نفوذپذیر است، غشا در طول فاز افزایشی و فاز جهش پتانسیل عمل، به طور فوق‌العاده‌ای نسبت به ⁺Na نفوذپذیر می‌شود. (کادر 2B نامگذاری پتانسیل عمل را بیشتر توضیح می‌دهد.) این افزایش موقت در نفوذپذیری ⁺Na ناشی از باز شدن کانال‌های انتخابی ⁺Na است که در حالت استراحت بسته هستند. پمپ‌های غشایی یک گرادیان الکتروشیمیایی بزرگ برای ⁺Na حفظ می‌کنند که غلظت آن در خارج از نورون بسیار بیشتر از داخل آن است. این باعث می‌شود که ⁺Na هنگام باز شدن کانال‌های ⁺Na به داخل نورون جریان یابد و باعث شود پتانسیل غشا دپلاریزه شده و به E _Na نزدیک شود.

FIGURE 2.9 The role of Na⁺ in generating an action potential in a squid giant axon. (A) An action potential evoked with the normal ion concentrations inside and outside the cell. (B,C) The amplitude and rate of rise of the action potential (B) diminish when external Na⁺ concentration is reduced to one-third of normal, but recover (C) when the Na⁺ is replaced. (D,E) Although the amplitude of the action potential (D) is quite sensitive to the external concentration of Na⁺, the resting membrane potential (E) is little affected by changing the concentration of this ion. (After Hodgkin and Katz, 1949.)

شکل۲.۹  نقش ⁺Na در ایجاد پتانسیل عمل در آکسون غول‌پیکر ماهی مرکب. (A) پتانسیل عملی که با غلظت‌های طبیعی یون در داخل و خارج سلول برانگیخته می‌شود. (B،C) دامنه و سرعت افزایش پتانسیل عمل (B) هنگامی که غلظت ⁺Na خارجی به یک سوم مقدار طبیعی کاهش می‌یابد، کاهش می‌یابد، اما هنگامی که ⁺Na جایگزین می‌شود، بهبود می‌یابد (C). (D،E) اگرچه دامنه پتانسیل عمل (D) کاملاً به غلظت خارجی ⁺Na حساس است، پتانسیل استراحت غشاء (E) تحت تأثیر تغییر غلظت این یون قرار نمی‌گیرد. (به نقل از هاجکین و کاتز، 1949.)

The length of time the membrane potential lingers near E _Na (about +50 mV) during the overshoot phase of an action potential is brief because the increased membrane perme-ability to Na⁺ itself is short-lived. The membrane potential rapidly repolarizes to resting levels and is followed by a transient undershoot. As will be described in Chapter 3, these latter phases of the action potential are due to an inactivation of the Na⁺ permeability and an increase in the K⁺ permeability of the membrane. During the undershoot, the membrane potential is transiently hyperpolarized because K⁺ permeability potential across the neuronal membrane.

مدت زمانی که پتانسیل غشا در طول مرحله‌ی جهش بیش از حد پتانسیل عمل، نزدیک به E _Na (حدود ۵۰+ میلی‌ولت) باقی می‌ماند، کوتاه است زیرا افزایش نفوذپذیری غشا به خود ⁺Na کوتاه‌مدت است. پتانسیل غشا به سرعت به سطوح استراحت رپلاریزه می‌شود و پس از آن یک جهش زیر حد گذرا رخ می‌دهد. همانطور که در فصل ۳ توضیح داده خواهد شد، این مراحل اخیر پتانسیل عمل به دلیل غیرفعال شدن نفوذپذیری ⁺Na و افزایش نفوذپذیری ⁺K غشا است. در طول جهش زیر حد، پتانسیل غشا به دلیل پتانسیل نفوذپذیری ⁺K در سراسر غشای نورونی، به طور موقت هایپرپلاریزه می‌شود.

BOX  2 B    ◊ Action Potential Form and Nomenclature

The action potential of the squid giant axon has a characteristic shape, or waveform, with a number of different phases (Figure A). During the rising phase, the membrane potential rapidly depolarizes. In fact, action potentials cause the membrane potential to depolarize so much that the membrane potential transiently becomes positive with respect to the external medium, producing an overshoot. The overshoot of the action potential gives way to a falling phase, in which the membrane potential rapidly repolarizes. Repolarization takes the membrane potential to levels even more negative than the resting membrane potential for a short time; this brief period of hyperpolarization is called the undershoot.

کادر ۲ ب ◊ شکل و نامگذاری پتانسیل عمل

پتانسیل عمل آکسون غول‌پیکر ماهی مرکب دارای شکل یا موج مشخصی با تعدادی فاز مختلف است (شکل الف). در طول فاز صعودی، پتانسیل غشا به سرعت دپلاریزه می‌شود. در واقع، پتانسیل‌های عمل باعث می‌شوند پتانسیل غشا آنقدر دپلاریزه شود که پتانسیل غشا به طور موقت نسبت به محیط خارجی مثبت شود و یک جهش بیش از حد ایجاد کند. جهش بیش از حد پتانسیل عمل جای خود را به یک فاز نزولی می‌دهد که در آن پتانسیل غشا به سرعت رپلاریزه می‌شود. رپلاریزاسیون، پتانسیل غشا را برای مدت کوتاهی به سطوحی حتی منفی‌تر از پتانسیل استراحت غشا می‌برد. این دوره کوتاه هایپرپلاریزاسیون، آندرشوت نامیده می‌شود.

Although the waveform of the squid action potential is typical, the detailed form of the action potential varies widely from neuron to neuron in different animals. In myelinated axons of vertebrate motor neurons (Figure B), the action potential is virtually indistinguishable from that of the squid axon. However, the action potential recorded in the cell body of this same motor neuron (Figure C) looks rather different. Thus, action potential waveform can vary even within the same neuron. More complex action potentials are seen in other central neurons. For example, action potentials recorded from the cell bodies of neurons in the mammalian inferior olive (a region of the brainstem involved in motor control) last tens of milliseconds (Figure D). These action potentials exhibit a pronounced plateau during their falling phase, and their undershoot lasts even longer than that of the motor neuron. One of the most dramatic types of action potentials occurs in cerebellar Purkinje neurons (Figure E). These potentials, termed complex spikes, are well named because they have several phases that result from the summation of multiple, discrete action potentials generated in different regions of the neuron.

اگرچه شکل موج پتانسیل عمل ماهی مرکب معمولی است، اما شکل دقیق پتانسیل عمل از نورونی به نورون دیگر در حیوانات مختلف بسیار متفاوت است. در آکسون‌های میلین‌دار نورون‌های حرکتی مهره‌داران (شکل B)، پتانسیل عمل عملاً از آکسون ماهی مرکب قابل تشخیص نیست. با این حال، پتانسیل عمل ثبت شده در جسم سلولی همین نورون حرکتی (شکل C) نسبتاً متفاوت به نظر می‌رسد. بنابراین، شکل موج پتانسیل عمل می‌تواند حتی در همان نورون متفاوت باشد. پتانسیل‌های عمل پیچیده‌تر در سایر نورون‌های مرکزی دیده می‌شوند. به عنوان مثال، پتانسیل‌های عمل ثبت شده از جسم سلولی نورون‌ها در زیتون تحتانی پستانداران (ناحیه‌ای از ساقه مغز که در کنترل حرکت دخیل است) ده‌ها میلی‌ثانیه طول می‌کشند (شکل D). این پتانسیل‌های عمل در طول مرحله سقوط خود، یک فلات مشخص نشان می‌دهند و جهش زیرین آنها حتی بیشتر از نورون حرکتی طول می‌کشد. یکی از چشمگیرترین انواع پتانسیل‌های عمل در نورون‌های پورکنژ مخچه رخ می‌دهد (شکل E). این پتانسیل‌ها که اسپایک‌های پیچیده نامیده می‌شوند، به خوبی نامگذاری شده‌اند زیرا دارای چندین فاز هستند که از جمع پتانسیل‌های عمل متعدد و گسسته تولید شده در مناطق مختلف نورون حاصل می‌شوند.

(A) The phases of an action potential of the squid giant axon. (B) Action potential recorded from a  myelinated axon of a frog motor (C) Action potential recorded from the cell body of a frog motor neuron. The action potential is smaller and the undershoot prolonged in comparison with the action potential recorded from the axon of this same neuron (B). (D) Action potential recorded from the cell body of a neuron from the inferior olive of a guinea pig. This action potential has a pronounced plateau during its falling phase. (E) Action potential recorded from the dendrite of a Purkinje neuron in the cerebellum of a mouse. (A after Hodgkin and Huxley, 1939; B after Dodge and Frankenhaeuser, 1958; C after Barrett and Barrett, 1976; D after Llinás and Yarom, 1981; E after Chen et al., 2016.)

(الف) مراحل پتانسیل عمل آکسون غول‌پیکر ماهی مرکب. (ب) پتانسیل عمل ثبت شده از آکسون میلین‌دار موتور قورباغه (ج) پتانسیل عمل ثبت شده از جسم سلولی یک نورون حرکتی قورباغه. پتانسیل عمل در مقایسه با پتانسیل عمل ثبت شده از آکسون همین نورون (ب) کوچکتر و undershoot طولانی‌تر است. (د) پتانسیل عمل ثبت شده از جسم سلولی یک نورون از زیتون تحتانی یک خوکچه هندی. این پتانسیل عمل در طول مرحله سقوط خود دارای یک فلات مشخص است. (ه) پتانسیل عمل ثبت شده از دندریت یک نورون پورکنژ در مخچه یک موش. (الف) پس از هاجکین و هاکسلی، ۱۹۳۹؛ ب) پس از داج و فرانکنهاوزر، ۱۹۵۸؛ ج) پس از بارت و بارت، ۱۹۷۶؛ د) پس از لیناس و یاروم، ۱۹۸۱؛ ه) پس از چن و همکاران، ۲۰۱۶.)

The variety of action potential wave-forms could mean that each type of neuron has a different mechanism of action potential production. Fortunately, however, these diverse waveforms all result from relatively minor variations in the scheme used by the squid giant axon. For example, plateaus in the repolarization phase result from the presence of ion channels that are permeable to Ca²⁺, and long-lasting undershoots result from the presence of additional types of membrane K⁺ channels. The complex action potential of the Purkinje cell results from these extra features plus the fact that different types of action potentials are generated in various parts of the Purkinje neuron— cell body, dendrites, and axons—and are summed together in recordings from the cell body. Thus, the lessons learned from the squid axon are applicable to, and indeed essential for, understanding action potential generation in all neurons.

تنوع شکل موج‌های پتانسیل عمل می‌تواند به این معنی باشد که هر نوع نورون مکانیسم متفاوتی برای تولید پتانسیل عمل دارد. خوشبختانه، با این حال، این شکل موج‌های متنوع همگی ناشی از تغییرات نسبتاً جزئی در طرح مورد استفاده توسط آکسون غول‌پیکر ماهی مرکب هستند. به عنوان مثال، فلات‌ها در فاز رپولاریزاسیون ناشی از وجود کانال‌های یونی هستند که نسبت به ⁺Ca² نفوذپذیر هستند و جهش‌های زیرین طولانی مدت ناشی از وجود انواع اضافی کانال‌های ⁺K غشایی هستند. پتانسیل عمل پیچیده سلول پورکنژ ناشی از این ویژگی‌های اضافی به علاوه این واقعیت است که انواع مختلف پتانسیل‌های عمل در بخش‌های مختلف نورون پورکنژ – جسم سلولی، دندریت‌ها و آکسون‌ها – تولید می‌شوند و در ضبط‌های جسم سلولی با هم جمع می‌شوند. بنابراین، درس‌های آموخته شده از آکسون ماهی مرکب برای درک تولید پتانسیل عمل در همه نورون‌ها قابل اجرا و در واقع ضروری هستند.

becomes even greater than it is at rest. The action potential ends when this phase of enhanced K+ permeability subsides, and the membrane potential thus returns to its normal resting level.

حتی بیشتر از حالت استراحت می‌شود. پتانسیل عمل زمانی پایان می‌یابد که این مرحله از افزایش نفوذپذیری ⁺K فروکش کند و بنابراین پتانسیل غشاء به سطح استراحت طبیعی خود باز می‌گردد.

The ion substitution experiments carried out by Hodgkin and Katz provided convincing evidence that (1) the resting membrane potential results from a high resting membrane permeability to K⁺, and (2) depolarization during an action potential results from a transient rise in membrane Na⁺ permeability. Although these experiments identified the ions that flow during an action potential, they did not establish how the neuronal membrane is able to change its ion permeability to generate the action potential, or what mechanisms trigger this critical change. The next chapter addresses these issues, documenting the surprising conclusion that the neuronal membrane potential itself affects membrane permeability.

آزمایش‌های جایگزینی یون انجام شده توسط هاجکین و کاتز شواهد قانع‌کننده‌ای ارائه دادند که (1) پتانسیل استراحت غشاء ناشی از نفوذپذیری بالای غشاء در حالت استراحت به ⁺K است، و (2) دپلاریزاسیون در طول یک پتانسیل عمل ناشی از افزایش گذرا در نفوذپذیری ⁺Na غشاء است. اگرچه این آزمایش‌ها یون‌هایی را که در طول یک پتانسیل عمل جریان دارند شناسایی کردند، اما مشخص نکردند که چگونه غشای عصبی قادر به تغییر نفوذپذیری یونی خود برای تولید پتانسیل عمل است، یا چه مکانیسم‌هایی این تغییر حیاتی را آغاز می‌کنند. فصل بعدی به این مسائل می‌پردازد و این نتیجه‌گیری شگفت‌انگیز را مستند می‌کند که پتانسیل غشای عصبی خود بر نفوذپذیری غشاء تأثیر می‌گذارد.

Summary

Nerve cells generate electrical signals to convey information over substantial distances and to transmit it to other cells by means of synaptic connections. These signals ultimately depend on changes in the resting electrical potential across the neuronal membrane. A negative membrane potential at rest results from a net efflux of K⁺ across neuronal membranes that are predominantly permeable to K⁺. In contrast, an action potential occurs when a transient rise in Na⁺ permeability allows a net influx of Na⁺. The brief rise in membrane Na⁺ permeability is followed by a secondary, transient rise in membrane K⁺ permeability that repolarizes the neuronal membrane and produces a brief undershoot of the action potential. As a result of these processes, the membrane is depolarized in an allor-none fashion during an action potential. When these active permeability changes subside, the membrane potential returns to its resting level because of the high resting membrane permeability to K⁺.

خلاصه

سلول‌های عصبی سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌کنند تا اطلاعات را در فواصل قابل توجهی منتقل کنند و آن را از طریق اتصالات سیناپسی به سلول‌های دیگر منتقل کنند. این سیگنال‌ها در نهایت به تغییرات پتانسیل الکتریکی در حال استراحت در غشای نورونی بستگی دارند. پتانسیل منفی غشایی در حالت استراحت ناشی از جریان خالص ⁺K از غشاهای نورونی است که عمدتاً نسبت به ⁺K نفوذپذیر هستند. در مقابل، پتانسیل عمل زمانی رخ می‌دهد که افزایش گذرا در نفوذپذیری ⁺Na اجازه ورود خالص ⁺Na را می‌دهد. افزایش کوتاه مدت نفوذپذیری ⁺Na غشا با افزایش ثانویه و گذرا در نفوذپذیری ⁺K غشا دنبال می‌شود که غشای نورونی را دوباره قطبی می‌کند و یک جهش کوتاه مدت در پتانسیل عمل ایجاد می‌کند. در نتیجه این فرآیندها، غشا در طول پتانسیل عمل به صورت همه یا هیچ دپلاریزه می‌شود. هنگامی که این تغییرات نفوذپذیری فعال فروکش می‌کنند، پتانسیل غشا به دلیل نفوذپذیری بالای غشا در حالت استراحت به ⁺K به سطح استراحت خود باز می‌گردد. 

ADDITIONAL READING