فیزیولوژی پزشکی گایتون و هال؛ پتانسیل غشا و پتانسیل عمل

---

---

---

---

Electrical potentials exist across the membranes of virtu- ally all cells of the body. Some cells, such as nerve and muscle cells, generate rapidly changing electrochemical impulses at their membranes, and these impulses are used to transmit signals along the nerve or muscle membranes. In other types of cells, such as glandular cells, macro- phages, and ciliated cells, local changes in membrane potentials also activate many of the cell’s functions. This chapter reviews the basic mechanisms whereby mem- brane potentials are generated at rest and during action by nerve and muscle cells. See Video 5-1.

پتانسیل‌های الکتریکی در سراسر غشای تمام سلول‌های بدن وجود دارد. برخی از سلول‌ها مانند سلول‌های عصبی و ماهیچه‌ای، تکانه‌های الکتروشیمیایی در حال تغییر سریع را در غشای خود تولید می‌کنند و این تکانه‌ها برای انتقال سیگنال‌ها در طول غشای عصبی یا ماهیچه‌ای استفاده می‌شوند. در انواع دیگر سلول‌ها، مانند سلول‌های غده ای، ماکروفاژها و سلول‌های مژک دار، تغییرات موضعی در پتانسیل‌های غشایی نیز بسیاری از عملکردهای سلول را فعال می‌کند. این فصل مکانیسم‌های اساسی را بررسی می‌کند که به موجب آن پتانسیل‌های غشایی در حالت استراحت و در حین عمل توسط سلول‌های عصبی و عضلانی تولید می‌شوند. ویدیو ۵-۱ را ببینید.

BASIC PHYSICS OF MEMBRANE POTENTIALS

اساس فیزیکی پتانسیل‌های غشاء

Membrane Potentials Caused by lon Concentration Differences Across a Selectively Permeable Membrane

In Figure 5-14, the potassium concentration is great inside a nerve fiber membrane but very low outside the membrane. Let us assume that the membrane in this case is permeable to the potassium ions but not to any other ions. Because of the large potassium concentration gradi- ent from the inside toward the outside, there is a strong tendency for potassium ions to diffuse outward through the membrane. As they do so, they carry positive electri- cal charges to the outside, thus creating electropositivity outside the membrane and electronegativity inside the membrane because of negative anions that remain behind and do not diffuse outward with the potassium. Within about 1 millisecond, the potential difference between the inside and outside, called the diffusion potential, becomes great enough to block further net potassium diffusion to the exterior, despite the high potassium ion concentra- tion gradient. In the normal mammalian nerve fiber, the potential difference is about 94 millivolts, with negativity inside the fiber membrane.

پتانسیل‌های غشایی ناشی از تفاوت‌های غلظت یون در یک غشای انتخابی نفوذپذیر

در شکل ۵-۱۴، غلظت پتاسیم در داخل یک غشای فیبر عصبی زیاد است اما در خارج از غشاء بسیار کم است. فرض کنید غشاء در این مورد به یونهای پتاسیم نفوذپذیر است اما به هیچ یون دیگری نفوذپذیر نیست. به دلیل شیب زیاد غلظت پتاسیم از داخل به خارج، تمایل زیادی برای انتشار یون‌های پتاسیم به بیرون از طریق غشاء وجود دارد. همانطور که آنها این کار را انجام می‌دهند، بارهای الکتریکی مثبت را به بیرون حمل می‌کنند، بنابراین الکتروپوزیتیویته در خارج از غشاء و الکترونگاتیو در داخل غشا به دلیل آنیون‌های منفی که در پشت باقی می‌مانند و با پتاسیم به بیرون منتشر نمی‌شوند، ایجاد می‌کنند. در عرض حدود ۱ میلی ثانیه، اختلاف پتانسیل بین داخل و خارج، که پتانسیل انتشار نامیده می‌شود، به اندازه‌ای بزرگ می‌شود که با وجود گرادیان غلظت یون پتاسیم بالا، مانع از انتشار خالص پتاسیم به بیرون می‌شود. در فیبر عصبی پستانداران طبیعی، اختلاف پتانسیل در حدود ۹۴ میلی ولت است که در داخل غشای فیبر منفی است.

Figure 5-1B shows the same phenomenon as in Fig- ure 5-14, but this time with a high concentration of sodium ions outside the membrane and a low concentra- tion of sodium ions inside. These ions are also positively charged. This time, the membrane is highly permeable to the sodium ions but is impermeable to all other ions. Dif- fusion of the positively charged sodium ions to the inside creates a membrane potential of opposite polarity to that in Figure 5-1A, with negativity outside and positivity inside. Again, the membrane potential rises high enough within milliseconds to block further net diffusion of sodium ions to the inside; however, this time, in the mam-malian nerve fiber, the potential is about 61 millivolts posi- tive inside the fiber.

شکل ۵-1B همان پدیده ای را نشان می‌دهد که در شکل ۵-۱۴، اما این بار با غلظت بالای یون‌های سدیم در خارج از غشا و غلظت کم یون‌های سدیم در داخل. این یون‌ها نیز دارای بار مثبت هستند. این بار، غشاء نسبت به یون‌های سدیم بسیار نفوذپذیر است، اما نسبت به سایر یون‌ها نفوذ ناپذیر است. انتشار یون‌های سدیم با بار مثبت به داخل، پتانسیل غشایی با قطبیت مخالف شکل ۵-1A را ایجاد می‌کند، با منفی در بیرون و مثبت در داخل. مجدداً، پتانسیل غشاء به اندازه کافی در عرض میلی ثانیه افزایش می‌یابد تا مانع از انتشار خالص بیشتر یون‌های سدیم به داخل شود. با این حال، این بار، در فیبر عصبی پستانداران، پتانسیل در حدود ۶۱ میلی ولت مثبت در داخل فیبر است.

Thus, in both parts of Figure 5-1, we see that a con- centration difference of ions across a selectively permeable membrane can, under appropriate conditions, create a membrane potential. Later in this chapter, we show that many of the rapid changes in membrane potentials observed during nerve and muscle impulse transmission result from such rapidly changing diffusion potentials.

بنابراین، در هر دو بخش شکل ۵-۱، می‌بینیم که اختلاف غلظت یون‌ها در یک غشای انتخابی نفوذپذیر می‌تواند، تحت شرایط مناسب، پتانسیل غشایی ایجاد کند. بعداً در این فصل، نشان می‌دهیم که بسیاری از تغییرات سریع در پتانسیل‌های غشایی مشاهده شده در طول انتقال تکانه‌های عصبی و عضلانی ناشی از چنین پتانسیل‌های انتشار سریع در حال تغییر هستند.

The Nernst Equation Describes the Relationship of Diffusion Potential to the lon Concentration Difference Across a Membrane. The diffusion potential across a membrane that exactly opposes the net diffusion of a par- ticular ion through the membrane is called the Nernst po- tential for that ion, a term that was introduced in Chapter 4. The magnitude of the Nernst potential is determined by the ratio of the concentrations of that specific ion on the two sides of the membrane. The greater this ratio, the greater the tendency for the ion to diffuse in one direction and therefore the greater the Nernst potential required to prevent additional net diffusion. The following equation, called the Nernst equation, can be used to calculate the Nernst potential for any univalent ion at the normal body temperature of 98.6°F (37°C):
EMF (millivolts)=+-61/z * xlog Concentration inside/ Concentration outside

معادله نرنست رابطه پتانسیل انتشار را با اختلاف غلظت یون در سراسر یک غشاء توصیف می‌کند. پتانسیل انتشار در سراسر غشایی که دقیقاً مخالف انتشار خالص یک یون خاص از طریق غشاء است، پتانسیل نرنست برای آن یون نامیده می‌شود، اصطلاحی که در فصل ۴ معرفی شد. بزرگی پتانسیل نرنست با نسبت غلظت آن یون خاص در دو طرف غشاء تعیین می‌شود. هر چه این نسبت بیشتر باشد، تمایل بیشتری برای انتشار یون در یک جهت و در نتیجه پتانسیل نرنست مورد نیاز برای جلوگیری از انتشار خالص اضافی بیشتر است. معادله زیر که معادله نرنست نامیده می‌شود، می‌تواند برای محاسبه پتانسیل نرنست برای هر یون تک ظرفیتی در دمای طبیعی بدن ۹۸.۶ درجه فارنهایت (۳۷ درجه سانتیگراد) استفاده شود:
EMF (میلی ولت)=+-۶۱/z * xlog غلظت داخل/ تمرکز خارج

where EMF is the electromotive force and z is the electri- cal charge of the ion (e.g., +1 for K*).

که در آن EMF نیروی محرکه الکتریکی و z بار الکتریکی یون است (به عنوان مثال ۱+ برای K*).

When using this formula, it is usually assumed that the potential in the extracellular fluid outside the membrane remains at zero potential, and the Nernst potential is the potential inside the membrane. Also, the sign of the potential is positive (+) if the ion diffusing from inside to outside is a negative ion, and it is negative (-) if the ion is positive. Thus, when the concentration of positive potas- sium ions on the inside is 10 times that on the outside, the log of 10 is 1, so the Nernst potential calculates to be -61 millivolts inside the membrane.

هنگام استفاده از این فرمول، معمولاً فرض می‌شود که پتانسیل موجود در مایع خارج سلولی خارج از غشاء در پتانسیل صفر باقی می‌ماند و پتانسیل نرنست پتانسیل داخل غشا است. همچنین اگر یونی که از داخل به بیرون منتشر می‌شود، علامت پتانسیل مثبت (+) و اگر یون مثبت باشد منفی (-) است. بنابراین، هنگامی‌که غلظت یون‌های پتاسیم مثبت در داخل ۱۰ برابر خارج باشد، لگ ۱۰ برابر با ۱ است، بنابراین پتانسیل نرنست ۶۱- میلی ولت در داخل غشا محاسبه می‌شود.

Figure 5-1
A,Establishment of a diffusion potential across a nerve fiber membrane, caused by diffusion of potassium ions from inside the cell to outside the cell through a membrane that is selectively per- meable only to potassium. B, Establishment of a diffusion potential when the nerve fiber membrane is permeable only to sodium ions. Note that the internal membrane potential is negative when potas- sium ions diffuse and positive when sodium ions diffuse because of opposite concentration gradients of these two ions.

شکل ۵-۱
الف، ایجاد پتانسیل انتشار در سراسر غشای فیبر عصبی، ناشی از انتشار یون‌های پتاسیم از داخل سلول به خارج از سلول از طریق غشایی که به طور انتخابی فقط به پتاسیم قابل نفوذ است. ب، ایجاد پتانسیل انتشار زمانی که غشای فیبر عصبی تنها به یون‌های سدیم نفوذپذیر است. توجه داشته باشید که پتانسیل غشای داخلی زمانی که یون‌های پتاسیم منتشر می‌شوند منفی و زمانی که یون‌های سدیم منتشر می‌شوند، به دلیل شیب غلظت مخالف این دو یون مثبت است.

The Goldman Equation Is Used to Calculate the Dif- fusion Potential When the Membrane Is Permeable to Several Different lons. When a membrane is per- meable to several different ions, the diffusion potential that develops depends on three factors: (1) the polarity of the electrical charge of each ion; (2) the permeability of the membrane (P) to each ion; and (3) the concentra- tion (C) of the respective ions on the inside (i) and out- side (o) of the membrane. Thus, the following formula, called the Goldman equation or the Goldman-Hodgkin- Katz equation, gives the calculated membrane potential on the inside of the membrane when two univalent pos- itive ions, sodium (Na) and potassium (K+), and one univalent negative ion, chloride (Cl), are involved: EMF (millivolts)=-61xlog;

معادله گلدمن برای محاسبه پتانسیل انتشار زمانی که غشاء به چندین یون مختلف نفوذپذیر است استفاده می‌شود. هنگامی‌که یک غشاء به چندین یون مختلف نفوذپذیر است، پتانسیل انتشار ایجاد شده به سه عامل بستگی دارد: (۱) قطبیت بار الکتریکی هر یون. (۲) نفوذپذیری غشاء (P) به هر یون. و (۳) غلظت (C) یونهای مربوطه در داخل (i) و بیرون (o) غشاء. بنابراین، فرمول زیر که معادله گلدمن یا معادله گلدمن-هوچکین-کاتز نامیده می‌شود، پتانسیل غشایی محاسبه شده را در داخل غشاء نشان می‌دهد که دو یون مثبت یک ظرفیتی، سدیم (Na) و پتاسیم (K+) و یک یون منفی یک ظرفیتی، کلرید (EMlogts=1-mil) درگیر شوند.

Several key points become evident from the Goldman equation. First, sodium, potassium, and chloride ions are the most important ions involved in the development of membrane potentials in nerve and muscle fibers, as well as in the neuronal cells. The concentration gradient of each of these ions across the membrane helps determine the voltage of the membrane potential.

چندین نکته کلیدی از معادله گلدمن آشکار می‌شود. اول اینکه، یون‌های سدیم، پتاسیم و کلرید مهم‌ترین یون‌هایی هستند که در توسعه پتانسیل‌های غشایی در رشته‌های عصبی و عضلانی و همچنین در سلول‌های عصبی نقش دارند. گرادیان غلظت هر یک از این یون‌ها در سراسر غشا به تعیین ولتاژ پتانسیل غشا کمک می‌کند.

Second, the quantitative importance of each of the ions in determining the voltage is proportional to the membrane permeability for that particular ion. If the membrane has zero permeability to sodium and chloride ions, the mem- brane potential becomes entirely dominated by the concen- tration gradient of potassium ions alone, and the resulting potential will be equal to the Nernst potential for potassium. The same holds true for each of the other two ions if the membrane should become selectively permeable for either one of them alone.

دوم، اهمیت کمی‌هر یک از یون‌ها در تعیین ولتاژ متناسب با نفوذپذیری غشا برای آن یون خاص است. اگر نفوذپذیری غشاء در برابر یون‌های سدیم و کلرید صفر باشد، پتانسیل غشاء به طور کامل توسط گرادیان غلظت یون‌های پتاسیم به تنهایی تحت تسلط قرار می‌گیرد و پتانسیل حاصل با پتانسیل نرنست برای پتاسیم برابر خواهد بود. همین امر برای هر یک از دو یون دیگر صادق است اگر غشاء به طور انتخابی برای هر یک از آنها به تنهایی نفوذپذیر شود.

Third, a positive ion concentration gradient from inside the membrane to the outside causes electronegativity inside the membrane. The reason for this phenomenon is that excess positive ions diffuse to the outside when their concentration is higher inside than outside the membrane. This diffusion carries positive charges to the outside but leaves the nondiffusible negative anions on the inside, thus creating electronegativity on the inside. The opposite effect occurs when there is a gradient for a negative ion. That is, a chloride ion gradient from the outside to the inside causes negativity inside the cell because excess negatively charged chloride ions diffuse to the inside while leaving the nondiffusible positive ions on the outside.

سوم، گرادیان غلظت یون مثبت از داخل غشا به بیرون باعث ایجاد الکترونگاتیوی در داخل غشا می‌شود. دلیل این پدیده این است که یون‌های مثبت اضافی زمانی که غلظت آن‌ها در داخل غشا بیشتر از بیرون غشا باشد، به بیرون منتشر می‌شوند. این انتشار بارهای مثبت را به خارج حمل می‌کند، اما آنیون‌های منفی غیرقابل نفوذ را در داخل باقی می‌گذارد، بنابراین در داخل الکترونگاتیوی ایجاد می‌کند. اثر معکوس زمانی رخ می‌دهد که یک گرادیان برای یون منفی وجود داشته باشد. یعنی یک گرادیان یون کلرید از بیرون به داخل باعث منفی شدن درون سلول می‌شود زیرا یون‌های کلرید با بار منفی اضافی به داخل منتشر می‌شود در حالی که یون‌های مثبت غیر قابل نفوذ را در خارج می‌گذارد.

Fourth, as explained later, the permeability of the sodium and potassium channels undergoes rapid changes during transmission of a nerve impulse, whereas the permeability of the chloride channels does not change greatly during this process. Therefore, rapid changes in sodium and potassium permeability are pri- marily responsible for signal transmission in neurons, which is the subject of most of the remainder of this chapter.

چهارم، همانطور که بعدا توضیح داده شد، نفوذپذیری کانال‌های سدیم و پتاسیم در طول انتقال یک تکانه عصبی دستخوش تغییرات سریع می‌شود، در حالی که نفوذپذیری کانال‌های کلریدی در طول این فرآیند تغییر زیادی نمی‌کند. بنابراین، تغییرات سریع در نفوذپذیری سدیم و پتاسیم در درجه اول مسئول انتقال سیگنال در نورون‌ها است که موضوع بیشتر قسمت‌های باقیمانده این فصل است.

Resting Membrane Potential of Different Cell Types. In some cells, such as the cardiac pacemaker cells discussed in Chapter 10, the membrane potential is continuously changing, and the cells are never “resting”. In many other cells, even excitable cells, there is a quiescent period in which a resting membrane potential can be measured. Table 5-1 shows the approximate resting membrane potentials of some different types of cells. The membrane potential is obviously very dynamic in excitable cells such as neurons, in which action potentials occur. However, even in nonexcitable cells, the membrane potential (voltage) also changes in response to various stimuli, which alter activities for the various ion transporters, ion channels, and membrane permeability for sodium, potassium, calcium, and chloride ions. The resting membrane potential is, therefore, only a brief transient state for many cells.

پتانسیل استراحت غشاء انواع سلول‌های مختلف. در برخی از سلول‌ها، مانند سلول‌های ضربان‌ساز قلب که در فصل ۱۰ مورد بحث قرار گرفت، پتانسیل غشایی به طور مداوم در حال تغییر است و سلول‌ها هرگز “آرام نمی‌شوند”. در بسیاری از سلول‌های دیگر، حتی سلول‌های تحریک‌پذیر، یک دوره سکون وجود دارد که در آن پتانسیل غشاء استراحت می‌تواند اندازه‌گیری شود. جدول ۵-۱ پتانسیل‌های غشای استراحت تقریبی برخی از انواع مختلف سلول را نشان می‌دهد. بدیهی است که پتانسیل غشاء در سلول‌های تحریک پذیر مانند نورون‌ها بسیار پویا است، که در آنها پتانسیل عمل رخ می‌دهد. با این حال، حتی در سلول‌های غیرقابل تحریک، پتانسیل غشایی (ولتاژ) نیز در پاسخ به محرک‌های مختلف تغییر می‌کند که فعالیت‌های ناقل‌های مختلف یون، کانال‌های یونی و نفوذپذیری غشاء را برای یون‌های سدیم، پتاسیم، کلسیم و کلرید تغییر می‌دهد. بنابراین، پتانسیل غشای استراحت برای بسیاری از سلول‌ها فقط یک حالت گذرا است.

Electrochemical Driving Force. When multiple ions contribute to the membrane potential, the equilibrium potential for any of the contributing ions will differ from the membrane potential, and there will be an electrochemi- cal driving force (Var) for each ion that tends to cause net movement of the ion across the membrane. This driving force is equal to the difference between the membrane po- tential (Vm) and the equilibrium potential of the ion (Veg) Thus, Vdf = Vm – Veq

نیروی محرکه الکتروشیمیایی. هنگامی‌که یون‌های متعدد به پتانسیل غشا کمک می‌کنند، پتانسیل تعادل برای هر یک از یون‌های کمک کننده با پتانسیل غشا متفاوت خواهد بود و برای هر یون یک نیروی محرکه الکتروشیمیایی (Var) وجود خواهد داشت که باعث حرکت خالص یون در سراسر غشاء می‌شود. این نیروی محرکه برابر است با تفاوت بین پتانسیل غشاء (Vm) و پتانسیل تعادل یون (Veg) بنابراین، Vdf = Vm – Veq

The arithmetic sign of Var (positive or negative) and the valence of the ion (cation or anion) can be used to predict the direction of ion flow across the membrane, into or out of the cell. For cations such as Na+ and K+, a positive Var predicts ion movement out of the cell down its electro- chemical gradient, and a negative Var predicts ion move- ment into the cell. For anions, such as Cl-, a positive Vaf predicts ion movement into the cell, and a negative Vaf pre- dicts ion movement out of the cell. When Vm = Veq there is no net movement of the ion into or out of the cell. Also, the direction of ion flux through the membrane reverses as Vm becomes greater than or less than Veq; hence, the equi- librium potential (Veq) is also called the reversal potential.

علامت حسابی Var (مثبت یا منفی) و ظرفیت یون (کاتیون یا آنیون) را می‌توان برای پیش بینی جهت جریان یون در سراسر غشاء، به داخل یا خارج از سلول استفاده کرد. برای کاتیون‌هایی مانند Na+ و K+، یک Var مثبت حرکت یون به بیرون از سلول را به سمت پایین گرادیان الکتروشیمیایی پیش‌بینی می‌کند، و یک Var منفی حرکت یون را به داخل سلول پیش‌بینی می‌کند. برای آنیون‌ها، مانند Cl-، یک Vaf مثبت حرکت یون به داخل سلول را پیش‌بینی می‌کند و یک Vaf منفی حرکت یون را به خارج از سلول پیش‌بینی می‌کند. وقتی Vm = Veq حرکت خالص یون به داخل یا خارج از سلول وجود ندارد. همچنین، جهت شار یون از طریق غشاء معکوس می‌شود، زیرا Vm بزرگتر یا کمتر از Veq می‌شود. از این رو، پتانسیل تعادل (Veq) را پتانسیل معکوس نیز می‌نامند.

Figure 5-2.
Measurement of the membrane potential of the nerve fiber using a microelectrode.

شکل ۵-۲.
اندازه گیری پتانسیل غشایی فیبر عصبی با استفاده از میکروالکترود.

Measuring the Membrane Potential

The method for measuring the membrane potential is simple in theory but often difficult in practice because of the small size of most of the cells and fibers. Figure 5-2 shows a small micropipette filled with an electrolyte solu- tion. The micropipette is impaled through the cell mem- brane to the interior of the fiber. Another electrode, called the indifferent electrode, is then placed in the extracellu- lar fluid, and the potential difference between the inside and outside of the fiber is measured using an appropriate voltmeter. This voltmeter is a highly sophisticated elec- tronic apparatus that is capable of measuring small volt- ages despite extremely high resistance to electrical flow through the tip of the micropipette, which has a lumen diameter usually less than 1 micrometer and a resistance of more than 1 million ohms. For recording rapid changes in the membrane potential during transmission of nerve impulses, the microelectrode is connected to an oscillo- scope, as explained later in the chapter.

اندازه گیری پتانسیل غشاء

روش اندازه گیری پتانسیل غشاء در تئوری ساده است اما اغلب در عمل به دلیل اندازه کوچک اکثر سلول‌ها و الیاف دشوار است. شکل ۵-۲ یک میکروپیپت کوچک پر از محلول الکترولیت را نشان می‌دهد. میکروپیپت از طریق غشای سلولی به داخل فیبر متصل می‌شود. سپس الکترود دیگری به نام الکترود بی تفاوت در مایع خارج سلولی قرار می‌گیرد و اختلاف پتانسیل بین داخل و خارج فیبر با استفاده از یک ولت متر مناسب اندازه گیری می‌شود. این ولت متر یک دستگاه الکترونیکی بسیار پیچیده است که علیرغم مقاومت بسیار بالا در برابر جریان الکتریکی از طریق نوک میکروپیپت، که دارای قطر لومن معمولا کمتر از ۱ میکرومتر و مقاومت بیش از ۱ میلیون اهم است، قادر به اندازه گیری ولتاژهای کوچک است. برای ثبت تغییرات سریع در پتانسیل غشاء در طول انتقال تکانه‌های عصبی، میکروالکترود به یک اسیلوسکوپ متصل می‌شود، همانطور که بعدا در فصل توضیح داده شد.

The lower part of Figure 5-3 shows the electrical potential that is measured at each point in or near the nerve fiber membrane, beginning at the left side of the figure and passing to the right. As long as the electrode is outside the neuronal membrane, the recorded potential is zero, which is the potential of the extracellular fluid. Then, as the recording electrode passes through the volt- age change area at the cell membrane (called the electrical dipole layer), the potential decreases abruptly to -70 mil- livolts. Moving across the center of the fiber, the potential remains at a steady -70-millivolt level but reverses back to zero the instant it passes through the membrane on the opposite side of the fiber.

قسمت پایینی شکل ۵-۳ پتانسیل الکتریکی را نشان می‌دهد که در هر نقطه در یا نزدیک غشای فیبر عصبی اندازه گیری می‌شود که از سمت چپ شکل شروع می‌شود و به سمت راست می‌گذرد. تا زمانی که الکترود خارج از غشای عصبی باشد، پتانسیل ثبت شده صفر است که پتانسیل مایع خارج سلولی است. سپس، با عبور الکترود ضبط از ناحیه تغییر ولتاژ در غشای سلولی (به نام لایه دوقطبی الکتریکی)، پتانسیل به طور ناگهانی به -۷۰ میلی ولت کاهش می‌یابد. با حرکت در مرکز فیبر، پتانسیل در سطح ثابت -۷۰ میلی ولت باقی می‌ماند، اما بلافاصله پس از عبور از غشاء در طرف مقابل فیبر، به صفر برمی‌گردد.

To create a negative potential inside the membrane, only enough positive ions to develop the electrical dipole layer at the membrane itself must be trans- ported outward. The remaining ions inside the nerve fiber can be both positive and negative, as shown in the upper panel of Figure 5-3. Therefore, transfer of an incredibly small number of ions through the mem- brane can establish the normal resting potential of -70 millivolts inside the nerve fiber, which means that only about 1/3,000,000 to 1/100,000,000 of the total posi- tive charges inside the fiber must be transferred. Also, an equally small number of positive ions moving from outside to inside the fiber can reverse the potential from -70 millivolts to as much as +35 millivolts within as little as 1/10,000 of a second. Rapid shifting of ions in this manner causes the nerve signals discussed in sub- sequent sections of this chapter.

برای ایجاد پتانسیل منفی در داخل غشاء، تنها یون‌های مثبت کافی برای ایجاد لایه دوقطبی الکتریکی در خود غشا باید به بیرون منتقل شوند. همانطور که در پانل بالای شکل ۵-۳ نشان داده شده است، یون‌های باقی مانده در داخل رشته عصبی می‌توانند هم مثبت و هم منفی باشند. بنابراین، انتقال تعداد بسیار کمی‌از یون‌ها از طریق غشاء می‌تواند پتانسیل استراحت طبیعی ۷۰- میلی ولت را در داخل فیبر عصبی ایجاد کند، به این معنی که تنها حدود ۱/۳,۰۰۰,۰۰۰ تا ۱/۱۰۰,۰۰۰,۰۰۰ از کل بارهای مثبت داخل فیبر باید منتقل شود. همچنین تعداد کمی‌از یون‌های مثبت که از بیرون به داخل فیبر حرکت می‌کنند می‌توانند پتانسیل را از ۷۰- میلی ولت به ۳۵+ میلی ولت در عرض ۱/۱۰۰۰۰ ثانیه برگردانند. جابجایی سریع یون‌ها به این روش باعث سیگنال‌های عصبی می‌شود که در بخش‌های بعدی این فصل مورد بحث قرار گرفت.

Figure 5-3.
Distribution of positively and negatively charged ions in the extracellular fluid surrounding a nerve fiber and in the fluid inside the fiber. Note the alignment of negative charges along the inside surface of the membrane and positive charges along the outside surface. The lower panel displays the abrupt changes in membrane potential that occur at the membranes on the two sides of the fiber.

شکل ۵-۳.
توزیع یون‌های دارای بار مثبت و منفی در مایع خارج سلولی اطراف یک رشته عصبی و در مایع داخل فیبر. به تراز بارهای منفی در امتداد سطح داخلی غشا و بارهای مثبت در امتداد سطح خارجی توجه کنید. پانل پایینی تغییرات ناگهانی پتانسیل غشا را که در غشاهای دو طرف فیبر رخ می‌دهد نشان می‌دهد.

RESTING MEMBRANE POTENTIAL OF NEURONS

The resting membrane potential of large nerve fibers when they are not transmitting nerve signals is about -70 mil- livolts. That is, the potential inside the fiber is 70 millivolts more negative than the potential in the extracellular fluid on the outside of the fiber. In the next few paragraphs, the transport properties of the resting nerve membrane for sodium and potassium and the factors that determine the level of this resting potential are explained.

استراحت غشاء بالقوه نورون‌ها

پتانسیل استراحت غشای فیبرهای عصبی بزرگ زمانی که سیگنال‌های عصبی را ارسال نمی‌کنند، حدود -۷۰ میلی‌ولت است. یعنی پتانسیل داخل فیبر ۷۰ میلی ولت منفی تر از پتانسیل موجود در مایع خارج سلولی در بیرون فیبر است. در چند پاراگراف بعدی، خواص انتقال غشای عصبی استراحت برای سدیم و پتاسیم و عوامل تعیین کننده سطح این پتانسیل استراحت توضیح داده شده است.

Figure 5-4.
Functional characteristics of the Na*-K+ pump and the K+ “leak” channels. The K+ leak channels also leak Na+ ions into the cell slightly but are much more permeable to K+. ADP, Adenosine diphos- phate; ATP, adenosine triphosphate.

شکل ۵-۴.
ویژگی‌های عملکردی پمپ Na*-K+ و کانال‌های «نشتی» K+. کانال‌های نشت K+ نیز یون‌های Na+ را اندکی به داخل سلول نشت می‌کنند، اما نسبت به K+ بسیار نفوذپذیرتر هستند. ADP، آدنوزین دی فسفات. ATP، آدنوزین تری فسفات.

Active Transport of Sodium and Potassium lons Through the Membrane-the Sodium-Potassium (Na+-K+) Pump. Recall from Chapter 4 that all cell mem- branes of the body have a powerful Na*-K* pump that continually transports sodium ions to the outside of the cell and potassium ions to the inside, as illustrated on the left side in Figure 5-4. Note that this is an electrogenic pump because three Na+ ions are pumped to the outside for each two K+ ions to the inside, leaving a net deficit of positive ions on the inside and causing a negative poten- tial inside the cell membrane.

انتقال فعال یون‌های سدیم و پتاسیم از طریق غشاء – پمپ سدیم – پتاسیم (+Na+-K). از فصل ۴ به یاد بیاورید که تمام غشای سلولی بدن دارای یک پمپ قدرتمند Na*-K* هستند که به طور مداوم یون‌های سدیم را به بیرون سلول و یون‌های پتاسیم را به داخل منتقل می‌کند، همانطور که در سمت چپ در شکل ۵-۴ نشان داده شده است. توجه داشته باشید که این یک پمپ الکتروژنیک است زیرا به ازای هر دو یون K+ به داخل، سه یون Na+ به بیرون پمپ می‌شوند و یک کسری خالص از یون‌های مثبت در داخل باقی می‌گذارند و باعث ایجاد پتانسیل منفی در داخل غشای سلولی می‌شوند.

The Na*-K+ pump also causes large concentration gra- dients for sodium and potassium across the resting nerve membrane. These gradients are as follows:

Na* (outside): 142 mEq/L
Na (inside): 14 mEq/L
K’ (outside): 4 mEq/L
K* (inside): 140 mEq/L

پمپ Na*-K+ همچنین باعث ایجاد شیب غلظت زیادی برای سدیم و پتاسیم در سراسر غشای عصبی در حال استراحت می‌شود. این شیب‌ها به شرح زیر است:

Na* (خارج): ۱۴۲ mEq/L
Na (داخل): ۱۴ mEq/L
K’ (خارج): ۴ mEq/L
K* (داخل): ۱۴۰ mEq/L

The ratios of these two respective ions from the inside to the outside are as follows:

Na inside/Na* outside = 0.1
K*inside/Koutside = 35.0

نسبت این دو یون مربوطه از داخل به خارج به شرح زیر است:

Na در داخل / Na * خارج = 0.۱
K*inside/Koutside = 35.0

Leakage of Potassium Through the Nerve Cell Mem- brane. The right side of Figure 5-4 shows a channel pro- tein (sometimes called a tandem pore domain, potassium channel, or potassium [K+] “leak” channel) in the nerve membrane through which potassium ions can leak, even in a resting cell. The basic structure of potassium channels was described in Chapter 4 (Figure 4-4). These K+ leak channels may also leak sodium ions slightly but are far more permeable to potassium than to sodium, normally about 100 times as permeable. As discussed later, this dif- ferential in permeability is a key factor in determining the level of the normal resting membrane potential.

نشت پتاسیم از طریق غشای سلول عصبی. سمت راست شکل ۵-۴ یک پروتئین کانالی را نشان می‌دهد (که گاهی به آن دامنه منافذ پشت سر هم، کانال پتاسیم یا کانال “نشت” پتاسیم [K+] می‌گویند) در غشای عصبی که یون‌های پتاسیم می‌توانند از طریق آن نشت کنند، حتی در یک سلول در حال استراحت. ساختار اصلی کانال‌های پتاسیم در فصل ۴ توضیح داده شد (شکل ۴-۴). این کانال‌های نشت K+ نیز ممکن است کمی‌یون‌های سدیم را نشت کنند، اما نسبت به پتاسیم بسیار نفوذپذیرتر از سدیم هستند، معمولاً حدود ۱۰۰ برابر نفوذپذیری آن‌ها. همانطور که بعداً بحث شد، این تفاوت در نفوذپذیری یک عامل کلیدی در تعیین سطح پتانسیل طبیعی غشاء استراحت است.

Figure 5-5.
Establishment of resting membrane potentials under three conditions. A, When the membrane potential is caused entirely by potassium diffusion alone. B. When the membrane potential is caused by diffusion of both sodium and potassium ions. C. When the membrane potential is caused by diffusion of both sodium and potassium ions plus pumping of both these ions by the Na+-K+ pump.

شکل ۵-۵.
ایجاد پتانسیل غشاء استراحت تحت سه شرایط. A، زمانی که پتانسیل غشایی به طور کامل توسط انتشار پتاسیم به تنهایی ایجاد می‌شود. ب- هنگامی‌که پتانسیل غشایی در اثر انتشار یون‌های سدیم و پتاسیم ایجاد می‌شود. ج. هنگامی‌که پتانسیل غشاء توسط انتشار یون‌های سدیم و پتاسیم به علاوه پمپاژ هر دو این یون‌ها توسط پمپ Na+-K+ ایجاد می‌شود.

Origin of the Normal Resting Membrane Potential

Figure 5-5 shows the important factors in the establish- ment of the normal resting membrane potential. They are as follows.

منشاء پتانسیل غشای استراحت عادی

شکل ۵-۵ عوامل مهم در ایجاد پتانسیل غشای استراحت طبیعی را نشان می‌دهد. به شرح زیر می‌باشند.

Contribution of the Potassium Diffusion Potential. In Figure 5-5A, we assume that the only movement of ions through the membrane is diffusion of potassium ions, as demonstrated by the open channels between the potassium symbol (K+) inside and outside the membrane. Because of the high ratio of potassium ions inside to outside, 35:1, the Nernst potential corresponding to this ratio is -94 millivolts because the logarithm of 35 is 1.54, and this, multiplied by -61 millivolts, is -94 mil- livolts. Therefore, if potassium ions were the only factor causing the resting potential, the resting potential inside the fiber would be equal to -94 millivolts, as shown in the figure.

سهم پتانسیل انتشار پتاسیم. در شکل ۵-5A، ما فرض می‌کنیم که تنها حرکت یون‌ها از طریق غشاء، انتشار یون‌های پتاسیم است، همانطور که توسط کانال‌های باز بین نماد پتاسیم (K+) در داخل و خارج غشا نشان داده شده است. به دلیل نسبت بالای یون‌های پتاسیم در داخل به خارج، ۳۵:۱، پتانسیل نرنست مربوط به این نسبت ۹۴- میلی ولت است، زیرا لگاریتم ۳۵ برابر با ۱.۵۴ است و این با ضرب در ۶۱- میلی ولت، ۹۴- میلی ولت است. بنابراین، اگر یون‌های پتاسیم تنها عامل ایجاد پتانسیل استراحت باشند، پتانسیل استراحت در داخل فیبر برابر با ۹۴- میلی ولت خواهد بود، همانطور که در شکل نشان داده شده است.

Contribution of Sodium Diffusion Through the Nerve Membrane. Figure 5-5B shows the addition of slight permeability of the nerve membrane to sodium ions, caused by the minute diffusion of sodium ions through the K-Na+ leak channels. The ratio of sodium ions from inside to outside the membrane is 0.1, which gives a calculated Nernst potential for the inside of the membrane of +61 millivolts. Also shown in Figure 5-5B is the Nernst potential for potassium diffusion of -94 millivolts. How do these interact with each other, and what will be the summated potential? This question can be answered by using the Goldman equation described previously. Intuitively, one can see that if the membrane is highly permeable to potassium but only slightly per- meable to sodium, the diffusion of potassium contributes far more to the membrane potential than the diffusion of sodium. In the normal nerve fiber, the permeability of the membrane to potassium is about 100 times as great as its permeability to sodium. Using this value in the Goldman equation, and considering only sodium and potassium, gives a potential inside the membrane of -86 millivolts, which is near the potassium potential shown in the figure.

کمک به انتشار سدیم از طریق غشای عصبی. شکل ۵-5B اضافه شدن نفوذپذیری جزئی غشای عصبی به یون‌های سدیم را نشان می‌دهد که ناشی از انتشار دقیق یون‌های سدیم از طریق کانال‌های نشت K-Na+ است. نسبت یون‌های سدیم از داخل به خارج غشا ۰.۱ است که پتانسیل Nernst محاسبه شده را برای داخل غشا ۶۱+ میلی ولت می‌دهد. همچنین در شکل ۵-5B پتانسیل Nernst برای انتشار پتاسیم ۹۴- میلی ولت نشان داده شده است. اینها چگونه با یکدیگر تعامل دارند و پتانسیل جمع شده چقدر خواهد بود؟ این سوال را می‌توان با استفاده از معادله گلدمن که قبلا توضیح داده شد پاسخ داد. به طور شهودی، می‌توان دید که اگر غشاء به پتاسیم بسیار نفوذپذیر باشد، اما نفوذپذیری کمی‌نسبت به سدیم داشته باشد، انتشار پتاسیم بسیار بیشتر از انتشار سدیم به پتانسیل غشاء کمک می‌کند. در فیبر عصبی طبیعی، نفوذپذیری غشاء به پتاسیم حدود ۱۰۰ برابر بیشتر از نفوذپذیری آن به سدیم است. با استفاده از این مقدار در معادله گلدمن و تنها با در نظر گرفتن سدیم و پتاسیم، پتانسیلی در داخل غشاء ۸۶- میلی ولت بدست می‌آید که نزدیک به پتانسیل پتاسیم نشان داده شده در شکل است.

Contribution of the Na+-K+ Pump. In Figure 5-5C, the Na+-K+ pump is shown to provide an additional contribu- tion to the resting potential. This figure shows that con- tinuous pumping of three sodium ions to the outside oc- curs for each two potassium ions pumped to the inside of the membrane. The pumping of more sodium ions to the outside than the potassium ions being pumped to the in- side causes a continual loss of positive charges from inside the membrane, creating an additional degree of negativity (about -4 millivolts additional) on the inside, beyond that which can be accounted for by diffusion alone.

سهم پمپ Na+-K+. در شکل ۵-5C، پمپ Na+-K+ نشان داده شده است که کمک بیشتری به پتانسیل استراحت می‌کند. این شکل نشان می‌دهد که پمپاژ مداوم سه یون سدیم به خارج برای هر دو یون پتاسیم که به داخل غشا پمپ می‌شود، اتفاق می‌افتد. پمپاژ یون‌های سدیم بیشتر به خارج از یون‌های پتاسیم که به داخل پمپ می‌شوند، باعث از دست دادن مداوم بارهای مثبت از داخل غشا می‌شود و درجه منفی اضافی (حدود -۴ میلی‌ولت اضافی) در داخل ایجاد می‌کند، فراتر از آن چیزی که می‌توان تنها با انتشار به حساب آورد.

Therefore, as shown in Figure 5-5C, the net mem- brane potential when all these factors are operative at the same time is about -90 millivolts. However, additional ions, such as chloride, must also be considered in calcu- lating the membrane potential.

بنابراین، همانطور که در شکل ۵-5C نشان داده شده است، پتانسیل خالص غشاء زمانی که همه این عوامل به طور همزمان عمل می‌کنند حدود ۹۰- میلی ولت است. با این حال، یون‌های اضافی، مانند کلرید، نیز باید در محاسبه پتانسیل غشا در نظر گرفته شود.

In summary, the diffusion potentials alone caused by potassium and sodium diffusion would give a mem- brane potential of about -86 millivolts, with almost all of this being determined by potassium diffusion. An addi- tional -4 millivolts is then contributed to the membrane potential by the continuously acting electrogenic Na+- K* pump, and there is a contribution of chloride ions. As mentioned previously, the resting membrane potential varies in different cells from as low as around -10 mil- livolts in erythrocytes to as high as -90 millivolts in skel- etal muscle cells.

به طور خلاصه، پتانسیل‌های انتشار به تنهایی ناشی از انتشار پتاسیم و سدیم، پتانسیل غشایی در حدود ۸۶- میلی ولت ایجاد می‌کند، که تقریباً همه اینها توسط انتشار پتاسیم تعیین می‌شود. سپس یک ۴- میلی ولت اضافی توسط پمپ الکتروژنیک Na+-K* که به طور پیوسته عمل می‌کند به پتانسیل غشاء کمک می‌کند و سهمی‌از یون‌های کلرید وجود دارد. همانطور که قبلاً ذکر شد، پتانسیل استراحت غشاء در سلول‌های مختلف از ۱۰- میلی‌ولت در گلبول‌های قرمز تا ۹۰- میلی‌ولت در سلول‌های ماهیچه‌ای اسکلتی متفاوت است.

Figure 5-6.
Typical action potential recorded by the method shown in the upper panel.

شکل ۵-۶.
پتانسیل عمل معمولی با روش نشان داده شده در پانل بالا ثبت شده است.

NEURON ACTION POTENTIAL

Nerve signals are transmitted by action potentials, which are rapid changes in the membrane potential that spread rapidly along the nerve fiber membrane. Each action poten- tial begins with a sudden change from the normal resting negative membrane potential to a positive potential and ends with an almost equally rapid change back to the nega- tive potential. To conduct a nerve signal, the action potential moves along the nerve fiber until it comes to the fiber’s end.

پتانسیل عمل نورون

سیگنال‌های عصبی توسط پتانسیل‌های عمل منتقل می‌شوند، که تغییرات سریع در پتانسیل غشاء است که به سرعت در امتداد غشای فیبر عصبی پخش می‌شود. هر پتانسیل عمل با یک تغییر ناگهانی از پتانسیل غشای منفی در حال استراحت عادی به پتانسیل مثبت شروع می‌شود و با تغییر تقریباً به همان اندازه سریع به پتانسیل منفی پایان می‌یابد. برای هدایت یک سیگنال عصبی، پتانسیل عمل در امتداد رشته عصبی حرکت می‌کند تا زمانی که به انتهای فیبر برسد.

The upper panel of Figure 5-6 shows the changes that occur at the membrane during the action potential, with the transfer of positive charges to the interior of the fiber at its onset and the return of positive charges to the exterior at its end. The lower panel shows graphically the successive changes in membrane potential over a few 10,000ths of a second, illustrating the explosive onset of the action potential and the almost equally rapid recovery. The successive stages of the action potential are as follows.

پانل بالایی شکل ۵-۶ تغییراتی را نشان می‌دهد که در طول پتانسیل عمل در غشا رخ می‌دهد، با انتقال بارهای مثبت به داخل فیبر در شروع آن و بازگشت بارهای مثبت به بیرون در انتهای آن. پانل پایین به صورت گرافیکی تغییرات پی در پی در پتانسیل غشاء را در چند ۱۰۰۰۰ ثانیه نشان می‌دهد که شروع انفجاری پتانسیل عمل و بازیابی تقریباً به همان اندازه سریع را نشان می‌دهد. مراحل متوالی پتانسیل عمل به شرح زیر است.

Resting Stage. The resting stage is the resting membrane potential before the action potential begins. The mem- brane is said to be “polarized” during this stage because of the -70 millivolts negative membrane potential that is present.

مرحله استراحت مرحله. استراحت پتانسیل غشای استراحت قبل از شروع پتانسیل عمل است. گفته می‌شود که غشاء در این مرحله به دلیل وجود پتانسیل منفی ۷۰ میلی ولتی غشایی “قطبی” شده است.

Depolarization Stage. At this time, the membrane sud- denly becomes permeable to sodium ions, allowing rapid diffusion of positively charged sodium ions to the interior of the axon. The normal polarized state of -70 millivolts is immediately neutralized by the inflowing, positively charged sodium ions, with the potential rising rapidly in the positive direction-a process called depolarization. In large nerve fibers, the great excess of positive sodium ions moving to the inside causes the membrane poten- tial to actually overshoot beyond the zero level and to be- come somewhat positive. In some smaller fibers, as well as in many central nervous system neurons, the potential merely approaches the zero level and does not overshoot to the positive state.

مرحله دپلاریزاسیون. در این زمان، غشاء به طور ناگهانی به یون‌های سدیم نفوذپذیر می‌شود و به انتشار سریع یون‌های سدیم با بار مثبت به داخل آکسون اجازه می‌دهد. حالت پلاریزه نرمال ۷۰- میلی ولت بلافاصله توسط یون‌های سدیم با بار مثبت ورودی خنثی می‌شود و پتانسیل آن به سرعت در جهت مثبت افزایش می‌یابد – فرآیندی که دپلاریزاسیون نامیده می‌شود. در رشته‌های عصبی بزرگ، بیش از حد زیاد یون‌های مثبت سدیم که به سمت داخل حرکت می‌کنند، باعث می‌شود که پتانسیل غشا از سطح صفر فراتر رود و تا حدودی مثبت شود. در برخی از فیبرهای کوچکتر، و همچنین در بسیاری از نورون‌های سیستم عصبی مرکزی، پتانسیل صرفاً به سطح صفر نزدیک می‌شود و به حالت مثبت بیش از حد نمی‌رسد.

Repolarization Stage. Within a few 10,000ths of a sec- ond after the membrane becomes highly permeable to sodium ions, the sodium channels begin to close, and the potassium channels open to a greater degree than normal. Then, rapid diffusion of potassium ions to the exterior re- establishes the normal negative resting membrane poten- tial, which is called repolarization of the membrane.

مرحله رپلاریزاسیون. در عرض چند ۱۰۰۰۰ ثانیه پس از نفوذپذیری بالای غشاء به یون‌های سدیم، کانال‌های سدیم شروع به بسته شدن می‌کنند و کانال‌های پتاسیم به میزانی بیشتر از حد معمول باز می‌شوند. سپس، انتشار سریع یون‌های پتاسیم به بیرون، پتانسیل منفی طبیعی غشاء استراحت را دوباره برقرار می‌کند، که به آن رپولاریزاسیون غشاء می‌گویند.

To explain more fully the factors that cause both depo- larization and repolarization, we will describe the special characteristics of two other types of transport channels through the nerve membrane, the voltage-gated sodium and potassium channels.

برای توضیح کامل تر عواملی که باعث دپولاریزاسیون و رپلاریزاسیون می‌شوند، ویژگی‌های خاص دو نوع دیگر از کانال‌های انتقال از طریق غشای عصبی، کانال‌های سدیم و پتاسیم دارای ولتاژ را شرح می‌دهیم.

VOLTAGE-GATED SODIUM AND POTASSIUM CHANNELS

The necessary factor in causing both depolarization and repolarization of the nerve membrane during the action potential is the voltage-gated sodium channel. A voltage- gated potassium channel also plays an important role in increasing the rapidity of repolarization of the membrane. These two voltage-gated channels are in addition to the Na+-K pump and the K+ leak channels.

کانال‌های سدیم و پتاسیم با ولتاژ

عامل ضروری در ایجاد دپلاریزاسیون و رپلاریزاسیون غشای عصبی در حین پتانسیل عمل، کانال سدیم دارای ولتاژ است. یک کانال پتاسیم دارای ولتاژ نیز نقش مهمی‌در افزایش سرعت رپلاریزاسیون غشا دارد. این دو کانال ولتاژدار علاوه بر پمپ Na+-K و کانال‌های نشت K+ هستند.

Activation and Inactivation of the Voltage-Gated Sodium Channel

The upper panel of Figure 5-7 shows the voltage-gated sodium channel in three separate states. This channel has two gates-one near the outside of the channel called the activation gate, and another near the inside called the inactivation gate. The upper left of the figure depicts the state of these two gates in the normal resting membrane when the membrane potential is -70 millivolts. In this state, the activation gate is closed, which prevents any entry of sodium ions to the interior of the fiber through these sodium channels.

فعال سازی و غیرفعال شدن کانال سدیم با ولتاژ

پانل بالایی شکل ۵-۷ کانال سدیم ولتاژدار را در سه حالت مجزا نشان می‌دهد. این کانال دارای دو گیت است که یکی در نزدیکی بیرون کانال به نام گیت فعال سازی و دیگری در نزدیکی داخل به نام گیت غیرفعال سازی است. سمت چپ بالای شکل وضعیت این دو دروازه را در غشای استراحت معمولی زمانی که پتانسیل غشا ۷۰- میلی ولت است نشان می‌دهد. در این حالت دروازه فعال سازی بسته است که از ورود یون‌های سدیم به داخل فیبر از طریق این کانال‌های سدیمی‌جلوگیری می‌کند.

Activation of the Sodium Channel. When the mem- brane potential becomes less negative than during the resting state, rising from -70 millivolts toward zero, it finally reaches a voltage-usually somewhere around -55 millivolts-that causes a sudden conformational change in the activation gate, flipping it all the way to the open position. During this activated state, sodium ions can pour inward through the channel, increasing the sodium permeability of the membrane as much as 500- to 5000-fold.

فعال سازی کانال سدیم. هنگامی‌که پتانسیل غشاء نسبت به حالت استراحت کمتر منفی می‌شود و از ۷۰- میلی ولت به سمت صفر می‌رسد، در نهایت به ولتاژی می‌رسد – معمولاً در حدود -۵۵ میلی ولت – که باعث تغییر ساختار ناگهانی در گیت فعال سازی می‌شود و آن را تا انتها به حالت باز می‌چرخاند. در طول این حالت فعال، یون‌های سدیم می‌توانند از طریق کانال به داخل بریزند و نفوذپذیری سدیم غشاء را تا ۵۰۰ تا ۵۰۰۰ برابر افزایش دهند.

Figure 5-7.
Characteristics of the voltage-gated sodium (top) and potassium (bottom) channels, showing successive activation and in- activation of the sodium channels and delayed activation of the po- tassium channels when the membrane potential is changed from the normal resting negative value to a positive value.

شکل ۵-۷.
ویژگی‌های کانال‌های سدیم (بالا) و پتاسیم (پایین) دارای ولتاژ، نشان‌دهنده فعال‌سازی و غیرفعال شدن پی در پی کانال‌های سدیم و فعال‌سازی تاخیری کانال‌های پتاسیم زمانی که پتانسیل غشاء از مقدار منفی عادی در حالت استراحت به مقدار مثبت تغییر می‌کند.

Inactivation of the Sodium Channel. The upper right panel of Figure 5-7 shows a third state of the sodium channel. The same increase in voltage that opens the ac- tivation gate also closes the inactivation gate. The inacti- vation gate, however, closes a few 10,000ths of a second after the activation gate opens. That is, the conforma- tional change that flips the inactivation gate to the closed state is a slower process than the conformational change that opens the activation gate. Therefore, after the sodi- um channel has remained open for a few 10,000ths of a second, the inactivation gate closes, and sodium ions no longer can pour to the inside of the membrane. At this point, the membrane potential begins to return toward the resting membrane state, which is the repolarization process.

غیرفعال شدن کانال سدیم. پانل سمت راست بالای شکل ۵-۷ حالت سوم کانال سدیم را نشان می‌دهد. همان افزایش ولتاژی که گیت فعال سازی را باز می‌کند، گیت غیرفعال سازی را نیز می‌بندد. با این حال، گیت غیرفعال سازی، چند ۱۰۰۰۰ ثانیه پس از باز شدن گیت فعال سازی بسته می‌شود. به این معنا که، تغییر ساختاری که دروازه غیرفعال سازی را به حالت بسته تبدیل می‌کند، فرآیند کندتر از تغییر ساختاری است که دروازه فعال سازی را باز می‌کند. بنابراین، پس از باز ماندن کانال سدیم برای چند ۱۰۰۰۰ ثانیه، دروازه غیرفعال سازی بسته می‌شود و یون‌های سدیم دیگر نمی‌توانند به داخل غشاء بریزند. در این مرحله، پتانسیل غشاء شروع به بازگشت به حالت غشاء در حالت استراحت می‌کند که فرآیند رپلاریزاسیون است.

Another important characteristic of the sodium chan- nel inactivation process is that the inactivation gate will not reopen until the membrane potential returns to or near the original resting membrane potential level. There- fore, it is usually not possible for the sodium channels to open again without first repolarizing the nerve fiber.

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم فرآیند غیرفعال سازی کانال سدیم این است که تا زمانی که پتانسیل غشاء به سطح پتانسیل غشاء در حال استراحت اولیه بازگردد، دروازه غیرفعال مجددا باز نمی‌شود. بنابراین، معمولاً امکان باز شدن مجدد کانال‌های سدیم بدون رپولاریزاسیون فیبر عصبی وجود ندارد.

Voltage-Gated Potassium Channel and Its Activation

The lower panel of Figure 5-7 shows the voltage-gated potassium channel in two states-during the resting state (left) and toward the end of the action potential (right). During the resting state, the gate of the potassium chan- nel is closed, and potassium ions are prevented from passing through this channel to the exterior. When the membrane potential rises from -70 millivolts toward zero, this voltage change causes a conformational open- ing of the gate and allows increased potassium diffusion outward through the channel. However, because of the slight delay in opening of the potassium channels, they open, for the most part, at about the same time that the sodium channels are beginning to close because of inac- tivation. Thus, the decrease in sodium entry to the cell and the simultaneous increase in potassium exit from the cell combine to speed the repolarization process, leading to full recovery of the resting membrane potential within another few 10,000ths of a second.

کانال پتاسیم دریچه ولتاژ و فعال سازی آن

پانل پایینی شکل ۵-۷ کانال پتاسیم دریچه ولتاژ را در دو حالت در حالت استراحت (سمت چپ) و به سمت انتهای پتانسیل عمل (راست) نشان می‌دهد. در حالت استراحت، دروازه کانال پتاسیم بسته می‌شود و از عبور یون‌های پتاسیم از این کانال به بیرون جلوگیری می‌شود. هنگامی‌که پتانسیل غشا از ۷۰- میلی ولت به سمت صفر افزایش می‌یابد، این تغییر ولتاژ باعث باز شدن ساختاری دریچه می‌شود و باعث افزایش انتشار پتاسیم به بیرون از طریق کانال می‌شود. با این حال، به دلیل تاخیر جزئی در باز شدن کانال‌های پتاسیم، تقریباً همزمان با شروع بسته شدن کانال‌های سدیم به دلیل غیرفعال شدن، باز می‌شوند. بنابراین، کاهش ورود سدیم به سلول و افزایش همزمان پتاسیم خروجی از سلول برای سرعت بخشیدن به فرآیند رپلاریزاسیون، منجر به بازیابی کامل پتانسیل غشای استراحت در چند ۱۰۰۰۰ ثانیه دیگر می‌شود.

Figure 5-8.
Voltage clamp method for studying flow of ions through specific channels.

شکل ۵-۸.
روش گیره ولتاژ برای مطالعه جریان یون‌ها از طریق کانال‌های خاص.

The Voltage Clamp Method for Measuring the Effect of Voltage on Opening and Closing of Voltage-Gated Channels. The original research that led to quantitative understanding of the sodium and potassium channels was so ingenious that it led to Nobel Prizes for the scientists responsible, Hodgkin and Huxley, in 1963. The essence of these studies is shown in Figures. 5-8 and 5-9.

روش گیره ولتاژ برای اندازه گیری اثر ولتاژ بر باز و بسته شدن کانال‌های دریچه ولتاژ. تحقیقات اولیه که منجر به درک کمی‌کانال‌های سدیم و پتاسیم شد، آنقدر هوشمندانه بود که منجر به دریافت جوایز نوبل برای دانشمندان مسئول، هوچکین و‌هاکسلی، در سال ۱۹۶۳ شد. ماهیت این مطالعات در شکل‌ها نشان داده شده است. ۵-۸ و ۵-۹.

Figure 5-8 shows the voltage clamp method, which is used to measure the flow of ions through the different channels. In using this apparatus, two electrodes are in- serted into the nerve fiber. One of these electrodes is used to measure the voltage of the membrane potential, and the other is used to conduct electrical current into or out of the nerve fiber.

شکل ۵-۸ روش گیره ولتاژ را نشان می‌دهد که برای اندازه گیری جریان یون‌ها در کانال‌های مختلف استفاده می‌شود. در استفاده از این دستگاه، دو الکترود به فیبر عصبی وارد می‌شود. یکی از این الکترودها برای اندازه گیری ولتاژ پتانسیل غشا و دیگری برای هدایت جریان الکتریکی به داخل یا خارج فیبر عصبی استفاده می‌شود.

This apparatus is used in the following way. The inves- tigator decides which voltage to establish inside the nerve fiber. The electronic portion of the apparatus is then adjust- ed to the desired voltage, automatically injecting either pos- itive or negative electricity through the current electrode at whatever rate is required to hold the voltage, as measured by the voltage electrode, at the level set by the operator. When the membrane potential is suddenly increased by this voltage clamp from -70 millivolts to zero, the voltage- gated sodium and potassium channels open, and sodium and potassium ions begin to pour through the channels. To counterbalance the effect of these ion movements on the desired setting of the intracellular voltage, electrical cur- rent is injected automatically through the current electrode of the voltage clamp to maintain the intracellular voltage at the required steady zero level. To achieve this level, the current injected must be equal to but of opposite polarity to the net current flow through the membrane channels. To measure how much current flow is occurring at each instant, the current electrode is connected to an ampere meter that records the current flow, as demonstrated in Figure 5-8.

این دستگاه به روش زیر استفاده می‌شود. بازرس تصمیم می‌گیرد که کدام ولتاژ را در فیبر عصبی ایجاد کند. سپس بخش الکترونیکی دستگاه بر روی ولتاژ مورد نظر تنظیم می‌شود و به طور خودکار الکتریسیته مثبت یا منفی را از طریق الکترود جریان با هر نرخی که برای نگه داشتن ولتاژ لازم است، همانطور که توسط الکترود ولتاژ اندازه گیری می‌شود، در سطح تعیین شده توسط اپراتور تزریق می‌کند. هنگامی‌که پتانسیل غشا به طور ناگهانی توسط این گیره ولتاژ از ۷۰- میلی ولت به صفر افزایش می‌یابد، کانال‌های سدیم و پتاسیم دارای ولتاژ باز می‌شوند و یون‌های سدیم و پتاسیم شروع به ریختن از طریق کانال‌ها می‌کنند. برای متعادل کردن اثر این حرکات یونی بر تنظیم مورد نظر ولتاژ درون سلولی، جریان الکتریکی به طور خودکار از طریق الکترود جریان گیره ولتاژ تزریق می‌شود تا ولتاژ درون سلولی در سطح صفر ثابت مورد نیاز حفظ شود. برای رسیدن به این سطح، جریان تزریق شده باید برابر باشد، اما قطب مخالف جریان خالص جریان از طریق کانال‌های غشایی باشد. برای اندازه گیری میزان جریان جریان در هر لحظه، الکترود جریان به یک آمپر متر متصل می‌شود که جریان جریان را ثبت می‌کند، همانطور که در شکل ۵-۸ نشان داده شده است.

Finally, the investigator adjusts the concentrations of the ions to other than normal levels both inside and outside the nerve fiber and repeats the study. This ex- periment can be performed easily when using large nerve fibers removed from some invertebrates, especially the giant squid axon, which in some cases is as large as 1 mil- limeter in diameter. When sodium is the only permeant ion in the solutions inside and outside the squid axon, the voltage clamp measures current flow only through the sodium channels. When potassium is the only permeant ion, current flow only through the potassium channels is measured.

در نهایت، محقق غلظت یون‌ها را در داخل و خارج از فیبر عصبی به غیر از سطوح طبیعی تنظیم می‌کند و مطالعه را تکرار می‌کند. این آزمایش را می‌توان به راحتی با استفاده از رشته‌های عصبی بزرگ که از برخی از بی مهرگان، به ویژه آکسون ماهی مرکب غول پیکر که در برخی موارد قطر آن به ۱ میلی متر جدا شده است، انجام داد. هنگامی‌که سدیم تنها یون نفوذ کننده در محلول‌های داخل و خارج آکسون ماهی مرکب باشد، گیره ولتاژ جریان جریان را فقط از طریق کانال‌های سدیم اندازه گیری می‌کند. هنگامی‌که پتاسیم تنها یون نافذ است، جریان جریان تنها از طریق کانال‌های پتاسیم اندازه گیری می‌شود.

Another means for studying the flow of ions through an individual type of channel is to block one type of chan- nel at a time. For example, the sodium channels can be blocked by a toxin called tetrodotoxin when it is applied to the outside of the cell membrane where the sodium acti- vation gates are located. Conversely, tetraethylammonium ion blocks the potassium channels when it is applied to the interior of the nerve fiber.

روش دیگر برای مطالعه جریان یون‌ها از طریق یک نوع کانال مجزا، مسدود کردن یک نوع کانال در یک زمان است. به عنوان مثال، کانال‌های سدیم می‌تواند توسط سمی‌به نام تترودوتوکسین مسدود شود، زمانی که آن را در قسمت بیرونی غشای سلولی که دریچه‌های فعال سازی سدیم در آن قرار دارند، اعمال می‌شود. برعکس، یون تترا اتیل آمونیوم کانال‌های پتاسیم را هنگامی‌که به قسمت داخلی فیبر عصبی اعمال می‌شود مسدود می‌کند.

Figure 5-9 shows typical changes in conductance of the voltage-gated sodium and potassium channels when the membrane potential is suddenly changed through use of the voltage clamp, from -70 millivolts to +10 millivolts and then, 2 milliseconds later, back to -70 millivolts. Note the sudden opening of the sodium channels (the activa- tion stage) within a small fraction of a millisecond after the membrane potential is increased to the positive value. However, during the next millisecond or so, the sodium channels automatically close (the inactivation stage).

شکل ۵-۹ تغییرات معمولی در رسانایی کانال‌های سدیم و پتاسیم دریچه ولتاژ را نشان می‌دهد، زمانی که پتانسیل غشاء به طور ناگهانی با استفاده از گیره ولتاژ تغییر می‌کند، از ۷۰- میلی ولت به +۱۰ میلی ولت و سپس، ۲ میلی ثانیه بعد، به ۷۰- میلی ولت باز می‌گردد. به باز شدن ناگهانی کانال‌های سدیم (مرحله فعال‌سازی) در کسری کوچک از یک میلی‌ثانیه پس از افزایش پتانسیل غشا به مقدار مثبت توجه کنید. با این حال، در طول یک میلی ثانیه یا بیشتر، کانال‌های سدیم به طور خودکار بسته می‌شوند (مرحله غیرفعال سازی).

Note the opening (activation) of the potassium chan- nels, which open less rapidly and reach their full open state only after the sodium channels have almost completely closed. Furthermore, once the potassium channels open, they remain open for the entire duration of the positive membrane potential and do not close again until after the membrane potential is decreased back to a negative value.

به باز شدن (فعال شدن) کانال‌های پتاسیم توجه کنید که با سرعت کمتری باز می‌شوند و تنها پس از بسته شدن کانال‌های سدیم به حالت کامل باز می‌رسند. علاوه بر این، هنگامی‌که کانال‌های پتاسیم باز می‌شوند، برای تمام مدت پتانسیل مثبت غشاء باز می‌مانند و تا زمانی که پتانسیل غشا به مقدار منفی کاهش پیدا کند، دوباره بسته نمی‌شوند.

Figure 5-9.
Typical changes in conductance of sodium and potassium ion channels when the membrane potential is suddenly increased from the normal resting value of -70 millivolts to a positive value of +10 millivolts for 2 milliseconds. This figure shows that the sodium channels open (activate) and then close (inactivate) before the end of the 2 milliseconds, whereas the potassium channels only open (acti- vate), and the rate of opening is much slower than that of the sodium channels.

شکل ۵-۹.
تغییرات معمولی در رسانایی کانال‌های یونی سدیم و پتاسیم زمانی که پتانسیل غشاء به طور ناگهانی از مقدار استراحت طبیعی ۷۰- میلی ولت به مقدار مثبت ۱۰+ میلی ولت برای ۲ میلی ثانیه افزایش می‌یابد. این شکل نشان می‌دهد که کانال‌های سدیم قبل از پایان ۲ میلی ثانیه باز می‌شوند (فعال می‌شوند) و سپس بسته می‌شوند (غیرفعال می‌شوند) در حالی که کانال‌های پتاسیم فقط باز می‌شوند (فعال می‌شوند) و سرعت باز شدن بسیار کندتر از کانال‌های سدیم است.

SUMMARY OF EVENTS THAT CAUSE THE ACTION POTENTIAL

Figure 5-10 summarizes the sequential events that occur during and shortly after the action potential. The bottom of the figure shows the changes in membrane conductance for sodium and potassium ions. During the resting state, before the action potential begins, the conductance for potassium ions is 50 to 100 times as great as the conductance for sodium ions. This dispar- ity is caused by much greater leakage of potassium ions than sodium ions through the leak channels. However, at the onset of the action potential, the sodium chan- nels almost instantaneously become activated and allow up to a 5000-fold increase in sodium conductance. The inactivation process then closes the sodium channels within another fraction of a millisecond. The onset of the action potential also initiates voltage gating of the potassium channels, causing them to begin opening more slowly, a fraction of a millisecond after the sodium channels open. At the end of the action potential, the return of the membrane potential to the negative state causes the potassium channels to close back to their original status but, again, only after an additional mil- lisecond or more delay.

خلاصه رویدادهایی که باعث پتانسیل عمل می‌شوند

شکل ۵-۱۰ رویدادهای متوالی را که در طی و مدت کوتاهی پس از پتانسیل عمل رخ می‌دهند، خلاصه می‌کند. پایین شکل تغییرات رسانایی غشایی را برای یون‌های سدیم و پتاسیم نشان می‌دهد. در حالت استراحت، قبل از شروع پتانسیل عمل، رسانایی یون‌های پتاسیم ۵۰ تا ۱۰۰ برابر رسانایی یون‌های سدیم است. این نابرابری ناشی از نشت بسیار بیشتر یون‌های پتاسیم نسبت به یون‌های سدیم از طریق کانال‌های نشت است. با این حال، در شروع پتانسیل عمل، کانال‌های سدیم تقریباً بلافاصله فعال می‌شوند و اجازه می‌دهند تا ۵۰۰۰ برابر رسانایی سدیم افزایش یابد. سپس فرآیند غیرفعال سازی کانال‌های سدیم را در کسری دیگر از میلی ثانیه می‌بندد. شروع پتانسیل عمل همچنین باعث راه‌اندازی ولتاژ کانال‌های پتاسیم می‌شود و باعث می‌شود که کانال‌های پتاسیم آهسته‌تر باز شوند، کسری از میلی‌ثانیه پس از باز شدن کانال‌های سدیم. در پایان پتانسیل عمل، بازگشت پتانسیل غشا به حالت منفی باعث می‌شود که کانال‌های پتاسیم به وضعیت اولیه خود بازگردند، اما دوباره، تنها پس از یک میلی ثانیه بیشتر یا تاخیر بیشتر.

The middle portion of Figure 5-10 shows the ratio of sodium to potassium conductance at each instant dur- ing the action potential, and above this depiction is the action potential itself. During the early portion of the action potential, the ratio of sodium to potassium con- ductance increases more than 1000-fold. Therefore, far more sodium ions flow to the interior of the fiber than potassium ions to the exterior. This is what causes the membrane potential to become positive at the action potential onset. Then, the sodium channels begin to close, and the potassium channels begin to open; thus, the ratio of conductance shifts far in favor of high potassium con- ductance but low sodium conductance. This shift allows for a very rapid loss of potassium ions to the exterior but virtually zero flow of sodium ions to the interior. Conse- quently, the action potential quickly returns to its baseline level.

بخش میانی شکل ۵-۱۰ نسبت رسانایی سدیم به پتاسیم را در هر لحظه در طول پتانسیل عمل نشان می‌دهد و بالاتر از این تصویر خود پتانسیل عمل است. در طول بخش اولیه پتانسیل عمل، نسبت رسانایی سدیم به پتاسیم بیش از ۱۰۰۰ برابر افزایش می‌یابد. بنابراین، یون‌های سدیم به مراتب بیشتر از یون‌های پتاسیم به داخل فیبر جریان می‌یابد. این همان چیزی است که باعث می‌شود پتانسیل غشاء در شروع پتانسیل عمل مثبت شود. سپس کانال‌های سدیم شروع به بسته شدن می‌کنند و کانال‌های پتاسیم شروع به باز شدن می‌کنند. بنابراین، نسبت رسانایی به نفع رسانایی پتاسیم بالا اما رسانایی سدیم کم تغییر می‌کند. این تغییر باعث از دست دادن بسیار سریع یون‌های پتاسیم به بیرون می‌شود، اما تقریباً جریان یون‌های سدیم به داخل صفر است. در نتیجه، پتانسیل عمل به سرعت به سطح پایه خود باز می‌گردد.

Figure 5-10.
Changes in sodium and potassium conductance dur- ing the course of the action potential. Sodium conductance increases several thousand-fold during the early stages of the action potential, whereas potassium conductance increases only about 30-fold during the latter stages of the action potential and for a short period thereaf- ter. (These curves were constructed from theory presented in papers by Hodgkin and Huxley but transposed from a squid axon to apply to the membrane potentials of large mammalian nerve fibers.)

شکل ۵-۱۰.
تغییرات در هدایت سدیم و پتاسیم در طول دوره پتانسیل عمل. رسانایی سدیم در مراحل اولیه پتانسیل عمل چندین هزار برابر افزایش می‌یابد، در حالی که رسانایی پتاسیم در مراحل آخر پتانسیل عمل و برای مدت کوتاهی پس از آن تنها حدود ۳۰ برابر افزایش می‌یابد. (این منحنی‌ها از تئوری ارائه شده در مقالات هوچکین و‌هاکسلی ساخته شده اند، اما از یک آکسون ماهی مرکب برای اعمال به پتانسیل‌های غشایی رشته‌های عصبی بزرگ پستانداران منتقل شده اند.)

Roles of Other lons During the Action Potential

Thus far, we have considered only the roles of sodium and potassium ions in generating the action potential. At least two other types of ions must be considered, negative anions and calcium ions.

نقش سایر افراد در طول پتانسیل عمل

تا اینجا ما فقط نقش یون‌های سدیم و پتاسیم را در تولید پتانسیل عمل در نظر گرفته ایم. حداقل دو نوع یون دیگر باید در نظر گرفته شود، آنیون‌های منفی و یون‌های کلسیم.

Impermeant Negatively Charged lons (Anions) Inside the Nerve Axon. Inside the axon are many negatively charged ions that cannot go through the membrane chan- nels. They include the anions of protein molecules and of many organic phosphate compounds and sulfate com- pounds, among others. Because these ions cannot leave the interior of the axon, any deficit of positive ions inside the membrane leaves an excess of these impermeant nega- tive anions. Therefore, these impermeant negative ions are responsible for the negative charge inside the fiber when there is a net deficit of positively charged potassium ions and other positive ions.

یون‌های باردار منفی (آنیون‌ها) در داخل آکسون عصبی. در داخل آکسون یون‌های با بار منفی زیادی وجود دارند که نمی‌توانند از کانال‌های غشایی عبور کنند. آنها شامل آنیون‌های مولکول‌های پروتئین و بسیاری از ترکیبات فسفات آلی و ترکیبات سولفات و غیره هستند. از آنجایی که این یون‌ها نمی‌توانند از داخل آکسون خارج شوند، هر گونه کمبود یون‌های مثبت در داخل غشاء، مقدار زیادی از این آنیون‌های منفی غیرقابل نفوذ را به جا می‌گذارد. بنابراین، این یون‌های منفی غیرقابل نفوذ مسئول بار منفی در داخل فیبر هستند، زمانی که کمبود خالص یون‌های پتاسیم با بار مثبت و سایر یون‌های مثبت وجود دارد.

Calcium lons. The membranes of almost all cells of the body have a calcium pump similar to the sodium pump, and calcium serves along with (or instead of) sodium in some cells to cause most of the action potential. Like the sodium pump, the calcium pump transports calcium ions from the interior to the exterior of the cell membrane (or into the endoplasmic reticulum of the cell), creating a cal- cium ion gradient of about 10,000-fold. This process leaves an internal cell concentration of calcium ions of about 10-7 molar, in contrast to an external concentration of about 10-3 molar.

یون‌های کلسیم. غشاهای تقریباً تمام سلول‌های بدن دارای پمپ کلسیمی‌مشابه پمپ سدیم هستند و کلسیم همراه با (یا به جای) سدیم در برخی سلول‌ها باعث ایجاد بیشتر پتانسیل عمل می‌شود. مانند پمپ سدیم، پمپ کلسیم یون‌های کلسیم را از داخل به بیرون غشای سلولی (یا به شبکه آندوپلاسمی‌سلول) منتقل می‌کند و یک گرادیان یون کلسیم حدود ۱۰۰۰۰ برابر ایجاد می‌کند. این فرآیند غلظت یون‌های کلسیم درون سلولی را در حدود ۱۰-۷ مولار بر خلاف غلظت خارجی حدود ۱۰-۳ مولار بر جای می‌گذارد.

In addition, there are voltage-gated calcium channels. Because the calcium ion concentration is more than 10,000 times greater in the extracellular fluid than in the intracellular fluid, there is a tremendous diffusion gradient and elec-trochemical driving force for the passive flow of calcium ions into the cells. These channels are slightly permeable to sodium ions and calcium ions, but their permeability to calcium is about 1000-fold greater than to sodium under normal physiological conditions. When the channels open in response to a stimulus that depolarizes the cell mem- brane, calcium ions flow to the interior of the cell.

علاوه بر این، کانال‌های کلسیمی‌با ولتاژ وجود دارد. از آنجایی که غلظت یون کلسیم در مایع خارج سلولی بیش از ۱۰۰۰۰ برابر بیشتر از مایع درون سلولی است، یک گرادیان انتشار فوق العاده و نیروی محرکه الکتروشیمیایی برای جریان غیرفعال یون‌های کلسیم به داخل سلول‌ها وجود دارد. این کانال‌ها کمی‌نسبت به یون‌های سدیم و یون‌های کلسیم نفوذپذیر هستند، اما نفوذپذیری آنها به کلسیم حدود ۱۰۰۰ برابر بیشتر از سدیم در شرایط فیزیولوژیکی طبیعی است. هنگامی‌که کانال‌ها در پاسخ به محرکی که غشای سلول را دپولاریزه می‌کند باز می‌شود، یون‌های کلسیم به داخل سلول جریان می‌یابند.

A major function of the voltage-gated calcium ion channels is to contribute to the depolarizing phase on the action potential in some cells. The gating of calcium chan- nels, however, is relatively slow, requiring 10 to 20 times as long for activation as for the sodium channels. For this reason, they are often called slow channels, in contrast to the sodium channels, which are called fast channels. Therefore, the opening of calcium channels provides a more sustained depolarization, whereas the sodium chan- nels play a key role in initiating action potentials.

یکی از عملکردهای اصلی کانال‌های یونی کلسیم دارای ولتاژ، کمک به فاز دپلاریزاسیون در پتانسیل عمل در برخی سلول‌ها است. با این حال، راه‌بندی کانال‌های کلسیم نسبتاً آهسته است و به ۱۰ تا ۲۰ برابر بیشتر از کانال‌های سدیم برای فعال‌سازی نیاز دارد. به همین دلیل، بر خلاف کانال‌های سدیم که کانال‌های سریع نامیده می‌شوند، اغلب به آنها کانال‌های کند می‌گویند. بنابراین، باز شدن کانال‌های کلسیم دپلاریزاسیون پایدارتری را فراهم می‌کند، در حالی که کانال‌های سدیم نقش کلیدی در شروع پتانسیل‌های عمل دارند.

Calcium channels are numerous in cardiac muscle and smooth muscle. In fact, in some types of smooth muscle, the fast sodium channels are hardly present; therefore, the action potentials are caused almost entirely by the activa- tion of slow calcium channels.

کانال‌های کلسیم در عضله قلب و ماهیچه صاف متعدد هستند. در واقع، در برخی از انواع ماهیچه‌های صاف، کانال‌های سدیم سریع به سختی وجود دارند. بنابراین، پتانسیل عمل تقریبا به طور کامل توسط فعال شدن کانال‌های کلسیم آهسته ایجاد می‌شود.

Increased Permeability of the Sodium Channels When There Is a Deficit of Calcium lons. The concentration of calcium ions in the extracellular fluid also has a profound effect on the voltage level at which the sodium channels become activated. When there is a deficit of calcium ions, the sodium channels become activated (opened) by a small increase of the membrane potential from its normal, very negative level. Therefore, the nerve fiber becomes highly excitable, sometimes discharging repetitively without prov- ocation, rather than remaining in the resting state. In fact, the calcium ion concentration needs to fall only 50% be- low normal before spontaneous discharge occurs in some peripheral nerves, often causing muscle “tetany.” Muscle tetany is sometimes lethal because of tetanic contraction of the respiratory muscles.

افزایش نفوذپذیری کانال‌های سدیم در صورت کمبود کلسیم lons. غلظت یون‌های کلسیم در مایع خارج سلولی نیز تأثیر عمیقی بر سطح ولتاژی دارد که در آن کانال‌های سدیم فعال می‌شوند. هنگامی‌که کمبود یون‌های کلسیم وجود دارد، کانال‌های سدیم با افزایش اندک پتانسیل غشا از سطح طبیعی و بسیار منفی آن فعال می‌شوند (باز می‌شوند). بنابراین، فیبر عصبی بسیار تحریک پذیر می‌شود، گاهی اوقات به جای اینکه در حالت استراحت باقی بماند، به طور مکرر بدون تحریک تخلیه می‌شود. در واقع، قبل از اینکه ترشحات خود به خودی در برخی از اعصاب محیطی اتفاق بیفتد، غلظت یون کلسیم فقط باید ۵۰ درصد کمتر از حد نرمال باشد، که اغلب باعث “تزاز” عضلانی می‌شود. کزاز عضلانی گاهی به دلیل انقباض کزاز ماهیچه‌های تنفسی کشنده است.

The probable way in which calcium ions affect the so- dium channels is as follows. These ions appear to bind to the exterior surfaces of the sodium channel protein. The positive charges of these calcium ions, in turn, alter the electrical state of the sodium channel protein, thus altering the voltage level required to open the sodium gate.

روش احتمالی تاثیر یون‌های کلسیم بر کانال‌های سدیم به شرح زیر است. به نظر می‌رسد این یون‌ها به سطوح بیرونی پروتئین کانال سدیم متصل می‌شوند. بارهای مثبت این یون‌های کلسیم، به نوبه خود، وضعیت الکتریکی پروتئین کانال سدیم را تغییر می‌دهد، بنابراین سطح ولتاژ مورد نیاز برای باز کردن دروازه سدیم را تغییر می‌دهد.

INITIATION OF THE ACTION POTENTIAL

Thus far, we have explained the changing sodium and potassium permeability of the membrane, as well as the development of the action potential, but we have not explained what initiates the action potential.

آغاز پتانسیل اقدام

تا اینجا، ما تغییر نفوذپذیری سدیم و پتاسیم غشاء و همچنین توسعه پتانسیل عمل را توضیح داده‌ایم، اما توضیح نداده‌ایم که چه چیزی باعث شروع پتانسیل عمل می‌شود.

A Positive-Feedback Cycle Opens the Sodium Chan- nels. As long as the membrane of the nerve fiber remains undisturbed, no action potential occurs in the normal nerve. However, if any event causes enough initial rise in the membrane potential from -70 millivolts toward the zero level, the rising voltage will cause many voltage-gated sodium channels to begin opening. This occurrence allows for the rapid inflow of sodium ions, which causes a further rise in the membrane potential, thus opening still more voltage-gated sodium channels and allowing more stream- ing of sodium ions to the interior of the fiber. This process is a positive feedback cycle that, once the feedback is strong enough, continues until all the voltage-gated sodium chan- nels have become activated (opened). Then, within another fraction of a millisecond, the rising membrane potential causes closure of the sodium channels and opening of po- tassium channels, and the action potential soon terminates.

یک چرخه بازخورد مثبت، کانال‌های سدیم را باز می‌کند. تا زمانی که غشای فیبر عصبی دست نخورده باقی بماند، هیچ پتانسیل عملی در عصب طبیعی رخ نمی‌دهد. با این حال، اگر هر رویدادی باعث افزایش اولیه کافی در پتانسیل غشا از ۷۰- میلی ولت به سمت سطح صفر شود، افزایش ولتاژ باعث می‌شود که بسیاری از کانال‌های سدیم دارای ولتاژ باز شوند. این رخداد امکان ورود سریع یون‌های سدیم را فراهم می‌کند، که باعث افزایش بیشتر پتانسیل غشاء می‌شود، بنابراین کانال‌های سدیم دارای ولتاژ بیشتری باز می‌شود و جریان بیشتر یون‌های سدیم به داخل فیبر امکان‌پذیر می‌شود. این فرآیند یک چرخه بازخورد مثبت است که وقتی بازخورد به اندازه کافی قوی شد، تا زمانی که تمام کانال‌های سدیم دارای ولتاژ فعال شوند (باز شوند) ادامه می‌یابد. سپس در کسری دیگر از میلی ثانیه، افزایش پتانسیل غشا باعث بسته شدن کانال‌های سدیم و باز شدن کانال‌های پتاسیم می‌شود و پتانسیل عمل به زودی پایان می‌یابد.

Initiation of the Action Potential Occurs Only After the Threshold Potential is Reached. An action poten- tial will not occur until the initial rise in membrane po- tential is great enough to create the positive feedback de- scribed in the preceding paragraph. This occurs when the number of sodium ions entering the fiber is greater than the number of potassium ions leaving the fiber. A sudden rise in membrane potential of 15 to 30 millivolts is usually required. Therefore, a sudden increase in the membrane potential in a large nerve fiber, from -70 millivolts up to about -55 millivolts, usually causes the explosive devel- opment of an action potential. This level of -55 millivolts is said to be the threshold for stimulation.

شروع پتانسیل عمل فقط پس از رسیدن به پتانسیل آستانه اتفاق می‌افتد. تا زمانی که افزایش اولیه در پتانسیل غشاء به اندازه کافی برای ایجاد بازخورد مثبتی که در پاراگراف قبل توضیح داده شد، نباشد، پتانسیل عمل رخ نخواهد داد. این زمانی اتفاق می‌افتد که تعداد یون‌های سدیم وارد شده به فیبر بیشتر از تعداد یون‌های پتاسیم خارج شده از فیبر باشد. معمولاً افزایش ناگهانی پتانسیل غشا بین ۱۵ تا ۳۰ میلی ولت مورد نیاز است. بنابراین، افزایش ناگهانی پتانسیل غشاء در یک فیبر عصبی بزرگ، از ۷۰- میلی ولت تا حدود ۵۵- میلی ولت، معمولاً باعث توسعه انفجاری یک پتانسیل عمل می‌شود. گفته می‌شود که این سطح ۵۵- میلی ولت آستانه تحریک است.

PROPAGATION OF THE ACTION POTENTIAL

In the preceding paragraphs, we discussed the action potential as though it occurs at one spot on the mem- brane. However, an action potential elicited at any one point on an excitable membrane usually excites adjacent portions of the membrane, resulting in propagation of the action potential along the membrane. This mechanism is demonstrated in Figure 5-11.

انتشار پتانسیل عمل

در پاراگراف‌های قبل، پتانسیل عمل را به گونه ای مورد بحث قرار دادیم که گویی در یک نقطه از غشاء رخ می‌دهد. با این حال، یک پتانسیل عمل که در هر نقطه از غشای تحریک پذیر ایجاد می‌شود، معمولاً بخش‌های مجاور غشاء را تحریک می‌کند و در نتیجه پتانسیل عمل در طول غشاء پخش می‌شود. این مکانیسم در شکل ۵-۱۱ نشان داده شده است.

Figure 5-11A shows a normal resting nerve fiber, and Figure 5-11B shows a nerve fiber that has been excited in its midportion, which suddenly develops increased perme- ability to sodium. The arrows show a local circuit of cur- rent flow from the depolarized areas of the membrane to the adjacent resting membrane areas. That is, posi- tive electrical charges are carried by the inward-diffusing sodium ions through the depolarized membrane and then for several millimeters in both directions along the core of the axon. These positive charges increase the voltage for a distance of 1 to 3 millimeters inside the large myelinated fiber to above the threshold voltage value for initiating an action potential. Therefore, the sodium channels in these new areas immediately open, as shown in Figure 5-11C and D, and the explosive action potential spreads. These newly depolarized areas produce still more local circuits of current flow farther along the membrane, causing progres- sively more and more depolarization. Thus, the depolariza- tion process travels along the entire length of the fiber. This transmission of the depolarization process along a nerve or muscle fiber is called a nerve or muscle impulse.

 شکل ۵-11A یک فیبر عصبی در حال استراحت طبیعی را نشان می‌دهد، و شکل ۵-11B یک فیبر عصبی را نشان می‌دهد که در قسمت میانی خود برانگیخته شده است، که به طور ناگهانی افزایش نفوذپذیری نسبت به سدیم ایجاد می‌کند. فلش‌ها یک مدار محلی از جریان جریان از نواحی دپلاریزه شده غشاء به نواحی غشای استراحت مجاور را نشان می‌دهند. به این معنا که بارهای الکتریکی مثبت توسط یون‌های سدیم منتشر شده به داخل از طریق غشای دپلاریزه شده و سپس برای چندین میلی متر در هر دو جهت در امتداد هسته آکسون حمل می‌شوند. این بارهای مثبت ولتاژ را برای یک فاصله ۱ تا ۳ میلی متری در داخل فیبر میلین دار بزرگ تا بالاتر از مقدار ولتاژ آستانه برای شروع یک پتانسیل عمل افزایش می‌دهند. بنابراین، همانطور که در شکل ۵-11C و D نشان داده شده است، کانال‌های سدیم در این مناطق جدید بلافاصله باز می‌شوند و پتانسیل عمل انفجاری گسترش می‌یابد. این نواحی که به تازگی دپلاریزه شده اند، مدارهای محلی بیشتری را از جریان جریان دورتر در امتداد غشاء تولید می‌کنند که باعث دپلاریزاسیون بیشتر و بیشتر می‌شود. بنابراین، فرآیند دپلاریزاسیون در تمام طول فیبر حرکت می‌کند. این انتقال فرآیند دپلاریزاسیون در طول یک عصب یا فیبر عضلانی، تکانه عصبی یا عضلانی نامیده می‌شود.

Direction of Propagation. As demonstrated in Figure 5- 11, an excitable membrane has no single direction of prop- agation, but the action potential travels in all directions away from the stimulus-even along all branches of a nerve fiber-until the entire membrane has become depolarized.

جهت انتشار. همانطور که در شکل ۵-۱۱ نشان داده شده است، یک غشای تحریک پذیر جهت انتشار واحدی ندارد، اما پتانسیل عمل در همه جهات دور از محرک حرکت می‌کند – حتی در امتداد تمام شاخه‌های یک رشته عصبی – تا زمانی که کل غشاء دپلاریزه شود.

All-or-Nothing Principle. Once an action potential has been elicited at any point on the membrane of a normal fiber, the depolarization process travels over the entire membrane if conditions are right, but it does not travel at all if conditions are not right. This principle is called the all- or-nothing principle, and it applies to all normal excitable tissues. Occasionally, the action potential reaches a point on the membrane at which it does not generate sufficient voltage to stimulate the next area of the membrane. When this situation occurs, the spread of depolarization stops. Therefore, for continued propagation of an impulse to oc- cur, the ratio of action potential to threshold for excitation must at all times be greater than 1. This “greater than 1” requirement is called the safety factor for propagation.

اصل همه یا هیچ. هنگامی‌که یک پتانسیل عمل در هر نقطه از غشای یک فیبر معمولی برانگیخته شد، فرآیند دپلاریزاسیون در کل غشا در صورت مناسب بودن شرایط حرکت می‌کند، اما اگر شرایط مناسب نباشد به هیچ وجه حرکت نمی‌کند. این اصل، اصل همه یا هیچ نامیده می‌شود و برای تمام بافت‌های عادی تحریک پذیر اعمال می‌شود. گاهی اوقات، پتانسیل عمل به نقطه ای از غشا می‌رسد که در آن ولتاژ کافی برای تحریک ناحیه بعدی غشا تولید نمی‌کند. هنگامی‌که این وضعیت رخ می‌دهد، گسترش دپلاریزاسیون متوقف می‌شود. بنابراین، برای ادامه انتشار یک تکانه، نسبت پتانسیل عمل به آستانه برای تحریک همیشه باید بیشتر از ۱ باشد. این نیاز “بیشتر از ۱” را ضریب ایمنی برای انتشار می‌نامند.

RE-ESTABLISHING SODIUM AND POTASSIUM IONIC GRADIENTS AFTER ACTION POTENTIALS ARE COMPLETED-IMPORTANCE OF ENERGY METABOLISM

Transmission of each action potential along a nerve fiber slightly reduces the concentration differences of sodium and potassium inside and outside the membrane because sodium ions diffuse to the inside during depolariza- tion, and potassium ions diffuse to the outside during repolarization. For a single action potential, this effect is so minute that it cannot be measured. Indeed, 100,000 to 50 million impulses can be transmitted by large nerve fibers before the concentration differences reach the point that action potential conduction ceases. With time, how- ever, it becomes necessary to re-establish the sodium and potassium membrane concentration differences, which is achieved by action of the Na+-K+ pump in the same way as described previously for the original establishment of the resting potential. That is, sodium ions that have dif- fused to the interior of the cell during the action poten- tials and potassium ions that have diffused to the exterior must be returned to their original state by the Na+-K+ pump. Because this pump requires energy for operation, this “recharging” of the nerve fiber is an active metabolic process, using energy derived from the adenosine tri- phosphate (ATP) energy system of the cell. Figure 5-12 shows that the nerve fiber produces increased heat dur- ing recharging, which is a measure of energy expenditure when the nerve impulse frequency increases.

ایجاد مجدد گرادیان‌های یونی سدیم و پتاسیم پس از تکمیل پتانسیل‌های عمل – اهمیت متابولیسم انرژی

انتقال هر پتانسیل عمل در امتداد یک رشته عصبی تفاوت غلظت سدیم و پتاسیم را در داخل و خارج غشاء اندکی کاهش می‌دهد زیرا یون‌های سدیم در حین دپلاریزاسیون به داخل و یون‌های پتاسیم در طی رپلاریزاسیون به خارج منتشر می‌شوند. برای یک پتانسیل عمل واحد، این اثر آنقدر کوچک است که نمی‌توان آن را اندازه گیری کرد. در واقع، ۱۰۰۰۰۰ تا ۵۰ میلیون تکانه را می‌توان قبل از اینکه اختلاف غلظت به نقطه ای برسد که هدایت پتانسیل عمل متوقف شود، توسط رشته‌های عصبی بزرگ منتقل شود. اما با گذشت زمان، ایجاد مجدد اختلاف غلظت غشای سدیم و پتاسیم ضروری می‌شود، که با عملکرد پمپ Na+-K+ به همان روشی که قبلاً برای ایجاد پتانسیل استراحت اولیه توضیح داده شد، به دست می‌آید. یعنی یون‌های سدیمی‌که در حین عمل به داخل سلول منتشر شده‌اند و یون‌های پتاسیمی‌که به بیرون منتشر شده‌اند باید توسط پمپ Na+-K+ به حالت اولیه خود بازگردانده شوند. از آنجایی که این پمپ برای کار به انرژی نیاز دارد، این “شارژ مجدد” فیبر عصبی یک فرآیند متابولیکی فعال است که از انرژی مشتق شده از سیستم انرژی آدنوزین تری فسفات (ATP) سلول استفاده می‌کند. شکل ۵-۱۲ نشان می‌دهد که فیبر عصبی در طول شارژ مجدد، گرمای بیشتری تولید می‌کند، که معیاری برای مصرف انرژی در هنگام افزایش فرکانس تکانه‌های عصبی است.

A special feature of the Nat-K+ ATP pump is that its degree of activity is strongly stimulated when excess sodium ions accumulate inside the cell membrane. In fact, the pumping activity increases approximately in propor- tion to the third power of this intracellular sodium con- centration. As the internal sodium concentration rises from 10 to 20 mEq/L, the activity of the pump does not merely double but increases about eightfold. Therefore, it is easy to understand how the recharging process of the nerve fiber can be set rapidly into motion whenever the concentration differences of sodium and potassium ions across the membrane begin to run down.

ویژگی خاص پمپ Nat-K+ ATP این است که درجه فعالیت آن با تجمع یون‌های سدیم اضافی در داخل غشای سلولی به شدت تحریک می‌شود. در واقع، فعالیت پمپاژ تقریباً به نسبت توان سوم این غلظت سدیم درون سلولی افزایش می‌یابد. با افزایش غلظت سدیم داخلی از ۱۰ به ۲۰ میلی اکی والان در لیتر، فعالیت پمپ نه تنها دو برابر می‌شود بلکه حدود ۸ برابر می‌شود. بنابراین، درک اینکه چگونه فرآیند شارژ مجدد فیبر عصبی می‌تواند به سرعت در هر زمان که اختلاف غلظت یون‌های سدیم و پتاسیم در سراسر غشا شروع به کاهش می‌کند، به سرعت به حرکت در می‌آید، آسان است.

Figure 5-11.
A-D, Propagation of action potentials in both directions along a conductive fiber.

شکل ۵-۱۱.
A-D، انتشار پتانسیل عمل در هر دو جهت در طول یک فیبر رسانا.

PLATEAU IN SOME ACTION POTENTIALS

In some cases, the excited membrane does not repolarize immediately after depolarization; instead, the potential remains on a plateau near the peak of the spike potential for many milliseconds before repolarization begin. Such a plateau is shown in Figure 5-13; one can readily see that the plateau greatly prolongs the period of depolarization. This type of action potential occurs in heart muscle fibers, where the plateau lasts for as long as 0.2 to 0.3 second and causes contraction of heart muscle to last for this same long period.

فلات در برخی از پتانسیل‌های عمل

در برخی موارد، غشای برانگیخته بلافاصله پس از دپلاریزاسیون مجدداً قطبی نمی‌شود. در عوض، پتانسیل در فلات نزدیک به اوج پتانسیل سنبله برای چندین میلی ثانیه قبل از شروع مجدد قطبی شدن باقی می‌ماند. چنین فلاتی در شکل ۵-۱۳ نشان داده شده است. می‌توان به راحتی مشاهده کرد که فلات دوره دپلاریزاسیون را بسیار طولانی می‌کند. این نوع پتانسیل عمل در فیبرهای عضله قلب رخ می‌دهد، جایی که فلات به مدت ۰.۲ تا ۰.۳ ثانیه طول می‌کشد و باعث می‌شود انقباض عضله قلب برای همین مدت طولانی ادامه یابد.

The cause of the plateau is a combination of several fac- tors. First, in heart muscle, two types of channels contribute to the depolarization process: (1) the usual voltage-activated sodium channels, called fast channels; and (2) voltage- activated calcium-sodium channels (L-type calcium chan- nels), which are slow to open and therefore are called slow channels. Opening of fast channels causes the spike portion of the action potential, whereas the prolonged opening of the slow calcium-sodium channels mainly allows calcium ions to enter the fiber, which is largely responsible for the plateau portion of the action potential.

علت فلات ترکیبی از چندین عامل است. اول، در عضله قلب، دو نوع کانال به فرآیند دپلاریزاسیون کمک می‌کنند: (۱) کانال‌های سدیم معمولی فعال شده با ولتاژ، به نام کانال‌های سریع. و (۲) کانال‌های کلسیم-سدیم فعال شده با ولتاژ (کانال‌های کلسیم نوع L)، که به کندی باز می‌شوند و بنابراین کانال‌های کند نامیده می‌شوند. بازکردن کانال‌های سریع باعث می‌شود که بخش نوک پتانسیل عمل ایجاد شود، در حالی که باز شدن طولانی‌مدت کانال‌های کلسیم-سدیم آهسته عمدتاً به یون‌های کلسیم اجازه ورود به فیبر را می‌دهد، که تا حد زیادی مسئول بخش فلات پتانسیل عمل است.

Another factor that may be partly responsible for the plateau is that the voltage-gated potassium channels are slower to open than usual, often not opening much until the end of the plateau. This factor delays the return of the membrane potential toward its normal negative value of -70 millivolts. The plateau ends when the calcium- sodium channels close, and permeability to potassium ions increases.

عامل دیگری که ممکن است تا حدی مسئول فلات باشد این است که کانال‌های پتاسیم دارای ولتاژ آهسته‌تر از حد معمول باز می‌شوند و اغلب تا انتهای پلاتو زیاد باز نمی‌شوند. این عامل بازگشت پتانسیل غشا را به سمت مقدار منفی نرمال آن ۷۰- میلی ولت به تاخیر می‌اندازد. فلات با بسته شدن کانال‌های کلسیم سدیم به پایان می‌رسد و نفوذپذیری به یون‌های پتاسیم افزایش می‌یابد.

Figure 5-12.
Heat production in a nerve fiber at rest and at progres- sively increasing rates of stimulation.

شکل ۵-۱۲.
تولید گرما در فیبر عصبی در حالت استراحت و با افزایش تدریجی نرخ تحریک.

RHYTHMICITY OF SOME EXCITABLE TISSUES-REPETITIVE DISCHARGE

Repetitive self-induced discharges occur normally in the heart, in most smooth muscle, and in many of the neurons of the central nervous system. These rhythmi- cal discharges cause the following: (1) rhythmical beat of the heart; (2) rhythmical peristalsis of the intestines; and (3) neuronal events such as the rhythmical control of breathing.

ریتمیک برخی از بافت‌های تحریک پذیر – ترشحات مکرر

ترشحات خود القای مکرر به طور معمول در قلب، در اکثر عضلات صاف و در بسیاری از نورون‌های سیستم عصبی مرکزی رخ می‌دهد. این ترشحات ریتمیک باعث موارد زیر می‌شود: (۱) ضربان ریتمیک قلب. (۲) پریستالیس ریتمیک روده. و (۳) رویدادهای عصبی مانند کنترل ریتمیک تنفس.

In addition, almost all other excitable tissues can dis- charge repetitively if the threshold for stimulation of the tissue cells is reduced to a low enough level. For example, even large nerve fibers and skeletal muscle fibers, which normally are highly stable, discharge repetitively when they are placed in a solution that contains the drug veratridine, which activates sodium ion channels, or when the calcium ion concentration decreases below a critical value, which increases the sodium permeability of the membrane.

بعلاوه، اگر آستانه تحریک سلول‌های بافتی به سطح کافی پایین کاهش یابد، تقریباً تمام بافت‌های تحریک پذیر دیگر می‌توانند به طور مکرر تخلیه شوند. به عنوان مثال، حتی فیبرهای عصبی بزرگ و فیبرهای عضلانی اسکلتی که معمولاً بسیار پایدار هستند، زمانی که در محلولی حاوی داروی وراتریدین قرار می‌گیرند که کانال‌های یونی سدیم را فعال می‌کند، یا زمانی که غلظت یون کلسیم به زیر یک مقدار بحرانی کاهش می‌یابد، به طور مکرر ترشح می‌شوند.

Figure 5-13.
Action potential (in millivolts) from a Purkinje fiber of the heart, showing a plateau.

شکل ۵-۱۳.
پتانسیل عمل (بر حسب میلی ولت) از فیبر پورکنژ قلب که فلات را نشان می‌دهد.

Re-Excitation Process Necessary for Spontaneous Rhythmicity. For spontaneous rhythmicity to occur, the membrane-even in its natural state-must be permeable enough to sodium ions (or to calcium and sodium ions through the slow calcium-sodium channels) to allow auto- matic membrane depolarization. Thus, Figure 5-14 shows that the resting membrane potential in the rhythmical con- trol center of the heart is only -60 to -70 millivolts, which is not enough negative voltage to keep the sodium and calcium channels totally closed. Therefore, the following sequence occurs: (1) some sodium and calcium ions flow inward; (2) this activity increases the membrane voltage in the positive direction, which further increases membrane permeability; (3) still more ions flow inward; and (4) the permeability in- creases more, and so on, until an action potential is gener- ated. Then, at the end of the action potential, the membrane repolarizes. After another delay of milliseconds or seconds, spontaneous excitability causes depolarization again, and a new action potential occurs spontaneously. This cycle con- tinues over and over and causes self-induced rhythmical excitation of the excitable tissue.

فرآیند تحریک مجدد لازم برای ریتمیک خود به خودی. برای اینکه ریتمیک خود به خودی رخ دهد، غشاء – حتی در حالت طبیعی خود – باید به اندازه کافی برای یون‌های سدیم (یا یون‌های کلسیم و سدیم از طریق کانال‌های کلسیم-سدیم آهسته) نفوذپذیر باشد تا امکان دپلاریزاسیون خودکار غشاء را فراهم کند. بنابراین، شکل ۵-۱۴ نشان می‌دهد که پتانسیل استراحت غشاء در مرکز کنترل ریتمیک قلب تنها ۶۰- تا ۷۰- میلی ولت است که ولتاژ منفی کافی برای بسته نگه داشتن کانال‌های سدیم و کلسیم کافی نیست. بنابراین، توالی زیر رخ می‌دهد: (۱) برخی از یون‌های سدیم و کلسیم به داخل جریان می‌یابد. (۲) این فعالیت ولتاژ غشا را در جهت مثبت افزایش می‌دهد که نفوذپذیری غشا را بیشتر افزایش می‌دهد. (۳) یون‌های بیشتری به سمت داخل جریان می‌یابد. و (۴) نفوذپذیری بیشتر افزایش می‌یابد و به همین ترتیب تا زمانی که پتانسیل عمل ایجاد شود. سپس در پایان پتانسیل عمل، غشاء مجدداً قطبی می‌شود. پس از یک تاخیر میلی ثانیه یا ثانیه، تحریک پذیری خود به خودی دوباره باعث دپلاریزاسیون می‌شود و پتانسیل عمل جدیدی به طور خود به خود رخ می‌دهد. این چرخه بارها و بارها ادامه می‌یابد و باعث تحریک ریتمیک خود القای بافت تحریک پذیر می‌شود.

Why does the membrane of the heart control center not depolarize immediately after it has become repolarized, rather than delaying for nearly 1 second before the onset of the next action potential? The answer can be found by observing the curve labeled “potassium conductance” in Figure 5-14. This curve shows that toward the end of each action potential, and continuing for a short period thereafter, the membrane becomes more permeable to potassium ions. The increased outflow of potassium ions carries tremendous numbers of positive charges to the outside of the membrane, leaving considerably more neg- ativity inside the fiber than would otherwise occur. This continues for nearly 1 second after the preceding action potential is over, thus drawing the membrane potential nearer to the potassium Nernst potential. This state, called hyperpolarization, is also shown in Figure 5-14. As long as this state exists, self-re-excitation will not occur. How- ever, the increased potassium conductance (and the state of hyperpolarization) gradually disappears, as shown after each action potential is completed in the figure, thereby again allowing the membrane potential to increase up to the threshold for excitation. Then, suddenly, a new action potential results and the process occurs again and again.

چرا غشای مرکز کنترل قلب بلافاصله پس از رپلاریزه شدن، دپلاریزه نمی‌شود، نه اینکه تقریباً ۱ ثانیه قبل از شروع پتانسیل عمل بعدی تأخیر بیفتد؟ پاسخ را می‌توان با مشاهده منحنی با عنوان “رسانایی پتاسیم” در شکل ۵-۱۴ پیدا کرد. این منحنی نشان می‌دهد که در پایان هر پتانسیل عمل، و برای مدت کوتاهی پس از آن، غشا نسبت به یون‌های پتاسیم نفوذپذیرتر می‌شود. افزایش خروجی یون‌های پتاسیم، بارهای مثبت زیادی را به بیرون از غشاء منتقل می‌کند و به میزان قابل توجهی منفی‌تر از آنچه در غیر این صورت اتفاق می‌افتد، در داخل فیبر باقی می‌ماند. این تقریباً ۱ ثانیه پس از پایان پتانسیل عمل قبلی ادامه می‌یابد، بنابراین پتانسیل غشا به پتانسیل نرنست پتاسیم نزدیکتر می‌شود. این حالت که‌هایپرپلاریزاسیون نامیده می‌شود در شکل ۵-۱۴ نیز نشان داده شده است. تا زمانی که این حالت وجود دارد، خود تحریک مجدد رخ نخواهد داد. با این حال، افزایش رسانایی پتاسیم (و حالت‌هایپرپلاریزاسیون) به تدریج ناپدید می‌شود، همانطور که پس از تکمیل هر پتانسیل عمل در شکل نشان داده شده است، در نتیجه دوباره به پتانسیل غشاء اجازه می‌دهد تا تا آستانه تحریک افزایش یابد. سپس، به طور ناگهانی، یک پتانسیل اقدام جدید نتیجه می‌دهد و این فرآیند بارها و بارها اتفاق می‌افتد.

Figure 5-14.
Rhythmical action potentials (in millivolts) similar to those recorded in the rhythmical control center of the heart. Note their relationship to potassium conductance and to the state of hy- perpolarization.

شکل ۵-۱۴.
پتانسیل‌های کنش ریتمیک (بر حسب میلی ولت) مشابه آنهایی که در مرکز کنترل ریتمیک قلب ثبت شده است. به رابطه آنها با رسانایی پتاسیم و وضعیت هیپرپلاریزاسیون توجه کنید.

SPECIAL CHARACTERISTICS OF SIGNAL TRANSMISSION IN NERVE TRUNKS

Myelinated and unmyelinated Nerve Fibers. Figure 5-15 shows a cross section of a typical small nerve, revealing many large nerve fibers that constitute most of the cross-sectional area. However, a more careful look reveals many more small fibers lying between the large ones. The large fibers are myelinated, and the small ones are unmy- elinated. The average nerve trunk contains about twice as many unmyelinated fibers as myelinated fibers.

ویژگی‌های خاص انتقال سیگنال در تنه‌های عصبی

رشته‌های عصبی میلین دار و بدون میلین. شکل ۵-۱۵ مقطعی از یک عصب کوچک معمولی را نشان می‌دهد که بسیاری از رشته‌های عصبی بزرگ را که بیشتر سطح مقطع را تشکیل می‌دهند، نشان می‌دهد. با این حال، یک نگاه دقیق‌تر نشان می‌دهد که تعداد زیادی الیاف کوچک بین الیاف بزرگ قرار دارند. الیاف بزرگ میلین و فیبرهای کوچک بدون میلین هستند. تنه عصب متوسط ​​حدود دو برابر فیبرهای میلین دار است.

Figure 5-16 illustrates schematically the features of a typical myelinated fiber. The central core of the fiber is the axon, and the membrane of the axon is the membrane that actually conducts the action potential. The axon is filled in its center with axoplasm, which is a viscid intracellular fluid. Surrounding the axon is a myelin sheath that is often much thicker than the axon itself. About once every 1 to 3 millime- ters along the length of the myelin sheath is a node of Ranvier.

شکل ۵-۱۶ به طور شماتیک ویژگی‌های یک فیبر میلین دار معمولی را نشان می‌دهد. هسته مرکزی فیبر آکسون است و غشای آکسون غشایی است که در واقع پتانسیل عمل را هدایت می‌کند. آکسون در مرکز خود با آکسوپلاسم که یک مایع داخل سلولی چسبناک است پر شده است. اطراف آکسون یک غلاف میلین است که اغلب بسیار ضخیم تر از خود آکسون است. تقریباً هر ۱ تا ۳ میلی‌متر در طول غلاف میلین یک گره از Ranvier وجود دارد.

The myelin sheath is deposited around the axon by Schwann cells in the following manner. The membrane of a Schwann cell first envelops the axon. The Schwann cell then rotates around the axon many times, laying down mul- tiple layers of Schwann cell membrane containing the lipid substance sphingomyelin. This substance is an excellent electrical insulator that decreases ion flow through the membrane about 5000-fold. At the juncture between each two successive Schwann cells along the axon, a small unin- sulated area only 2 to 3 micrometers in length remains where ions still can flow with ease through the axon mem- brane between the extracellular fluid and intracellular fluid inside the axon. This area is called the node of Ranvier.

غلاف میلین در اطراف آکسون توسط سلول‌های شوان به روش زیر رسوب می‌کند. غشای سلول شوان ابتدا آکسون را می‌پوشاند. سپس سلول شوان بارها به دور آکسون می‌چرخد ​​و لایه‌های متعددی از غشای سلول شوان حاوی ماده لیپیدی اسفنگومیلین می‌گذارد. این ماده یک عایق الکتریکی عالی است که جریان یون را از طریق غشا حدود ۵۰۰۰ برابر کاهش می‌دهد. در محل اتصال بین هر دو سلول شوان متوالی در امتداد آکسون، یک ناحیه عایق نشده کوچک به طول تنها ۲ تا ۳ میکرومتر باقی می‌ماند که در آن یون‌ها هنوز می‌توانند به راحتی از طریق غشای آکسون بین مایع خارج سلولی و مایع درون سلولی داخل آکسون جریان پیدا کنند. این ناحیه گره Ranvier نامیده می‌شود.

Figure 5-15.
Cross section of a small nerve trunk containing both myelinated and unmyelinated fibers.

شکل ۵-۱۵.
برش عرضی تنه عصبی کوچک حاوی فیبرهای میلین دار و بدون میلین.

Figure 5-16.
Function of the Schwann cell to insulate nerve fibers. A, Wrapping of a Schwann cell membrane around a large axon to form the myelin sheath of the myelinated nerve fiber. B, Partial wrapping of the membrane and cytoplasm of a Schwann cell around multiple unmyelinated nerve fibers (shown in cross section). (A, Modified from Leeson TS, Leeson R: Histology. Philadelphia: WB Saunders, 1979.)

شکل ۵-۱۶.
عملکرد سلول شوان برای عایق بندی رشته‌های عصبی. A، پیچیده شدن یک غشای سلولی شوان به دور یک آکسون بزرگ برای تشکیل غلاف میلین فیبر عصبی میلین دار. ب، پیچیده شدن جزئی غشاء و سیتوپلاسم سلول شوان در اطراف چندین رشته عصبی بدون میلین (نشان داده شده در مقطع). (A، اصلاح شده از Leeson TS، Leeson R: Histology. Philadelphia: WB Saunders، ۱۹۷۹.)

Saltatory Conduction in Myelinated Fibers from Node to Node. Even though almost no ions can flow through the thick myelin sheaths of myelinated nerves, they can flow with ease through the nodes of Ranvier. Therefore, action potentials occur only at the nodes. Yet, the action conduction, as shown in Figure 5-17. That is, electrical potentials are conducted from node to node by saltatory current flows through the surrounding extracellular fluid outside the myelin sheath, as well as through the axoplasm inside the axon from node to node, exciting successive nodes one after another. Thus, the nerve impulse jumps along the fiber, which is the origin of the term saltatory.

هدایت نمکی در فیبرهای میلین دار از گره به گره. اگرچه تقریباً هیچ یونی نمی‌تواند از طریق غلاف میلین ضخیم اعصاب میلین دار جریان یابد، آنها می‌توانند به راحتی از طریق گره‌های Ranvier عبور کنند. بنابراین، پتانسیل‌های عمل فقط در گره‌ها رخ می‌دهد. با این حال، هدایت عمل، همانطور که در شکل ۵-۱۷ نشان داده شده است. به این معنا که پتانسیل‌های الکتریکی از گرهی به گره دیگر توسط جریان شوری از طریق مایع خارج سلولی اطراف در خارج از غلاف میلین و همچنین از طریق آکسوپلاسم داخل آکسون از گره به گره دیگر هدایت می‌شود و گره‌های متوالی را یکی پس از دیگری تحریک می‌کند. بنابراین، تکانه عصبی در امتداد فیبر می‌پرد، که منشاء اصطلاح نمکی است.

Saltatory conduction is of value for two reasons:
1. First, by causing the depolarization process to jump long intervals along the axis of the nerve fiber, this mechanism increases the velocity of nerve transmis- sion in myelinated fibers as much as 5- to 50-fold.
2. Second, saltatory conduction conserves energy for the axon because only the nodes depolarize, allowing perhaps 100 times less loss of ions than would other- wise be necessary, and therefore requiring much less energy expenditure for re-establishing the sodium and potassium concentration differences across the membrane after a series of nerve impulses.

هدایت شوری به دو دلیل دارای ارزش است:
1. اول، با ایجاد فرآیند دپلاریزاسیون برای پرش در فواصل طولانی در امتداد محور فیبر عصبی، این مکانیسم سرعت انتقال عصبی را در فیبرهای میلین دار تا ۵ تا ۵۰ برابر افزایش می‌دهد.
2. دوم، رسانش نمکی انرژی را برای آکسون حفظ می‌کند، زیرا فقط گره‌ها دپلاریزه می‌شوند، و ممکن است ۱۰۰ برابر کمتر از آنچه در غیر این صورت لازم بود، یون‌ها را از دست بدهند، و بنابراین نیاز به انرژی بسیار کمتری برای برقراری مجدد اختلاف غلظت سدیم و پتاسیم در سراسر غشاء پس از یک سری تکانه‌های عصبی دارد.

The excellent insulation afforded by the myelin mem- brane and the 50-fold decrease in membrane capacitance also allow repolarization to occur with little transfer of ions.

عایق عالی ایجاد شده توسط غشای میلین و کاهش ۵۰ برابری ظرفیت غشا همچنین اجازه می‌دهد تا با انتقال اندک یون‌ها، رپلاریزاسیون رخ دهد.

Velocity of Conduction in Nerve Fibers. The velocity of action potential conduction in nerve fibers varies from as little as 0.25 m/sec in small unmyelinated fibers to as much as 100 m/sec-more than the length of a football field in 1 second-in large myelinated fibers.

سرعت رسانش در رشته‌های عصبی. سرعت انتقال پتانسیل عمل در رشته‌های عصبی از ۰.۲۵ متر بر ثانیه در فیبرهای کوچک بدون میلین تا ۱۰۰ متر بر ثانیه بیشتر از طول زمین فوتبال در الیاف میلین دار بزرگ ۱ ثانیه است.

EXCITATION-THE PROCESS OF ELICITING THE ACTION POTENTIAL

Basically, any factor that causes sodium ions to begin to diffuse inward through the membrane in sufficient num- bers can set off automatic regenerative opening of the sodium channels. This automatic regenerative opening can result from mechanical disturbance of the membrane, chemical effects on the membrane, or passage of electric- ity through the membrane. All these approaches are used at different points in the body to elicit nerve or muscle action potentials: mechanical pressure to excite sensory nerve endings in the skin, chemical neurotransmitters to transmit signals from one neuron to the next in the brain, and electrical current to transmit signals between succes- sive muscle cells in the heart and intestine.

برانگیختگی – فرآیند استخراج پتانسیل عمل

اساساً، هر عاملی که باعث شود یون‌های سدیم به تعداد کافی از غشاء به سمت داخل پخش شوند، می‌توانند باعث باز شدن خودکار کانال‌های سدیم شوند. این باز شدن احیا کننده خودکار می‌تواند ناشی از اختلال مکانیکی غشاء، اثرات شیمیایی بر روی غشا، یا عبور جریان الکتریسیته از غشا باشد. همه این رویکردها در نقاط مختلف بدن برای برانگیختن پتانسیل‌های عمل عصب یا عضله استفاده می‌شوند: فشار مکانیکی برای تحریک پایانه‌های عصبی حسی در پوست، انتقال‌دهنده‌های عصبی شیمیایی برای انتقال سیگنال‌ها از یک نورون به نورون بعدی در مغز، و جریان الکتریکی برای انتقال سیگنال‌ها بین سلول‌های ماهیچه‌ای متوالی در قلب و روده.

Figure 5-17.
Saltatory conduction along a myelinated axon. The flow of electrical current from node to node is illustrated by the arrows.

شکل ۵-۱۷.
هدایت نمکی در امتداد آکسون میلین دار. جریان الکتریکی از گره به گره با فلش‌ها نشان داده شده است.

Excitation of a Nerve Fiber by a Negatively Charged Metal Electrode. The usual means for exciting a nerve or muscle in the experimental laboratory is to apply electricity to the nerve or muscle surface through two small electrodes, one of which is negatively charged and the other positively charged. When electricity is applied in this manner, the excitable membrane becomes stimulated at the negative electrode.

تحریک یک رشته عصبی توسط یک الکترود فلزی با بار منفی. روش معمول برای برانگیختن یک عصب یا عضله در آزمایشگاه تجربی، اعمال الکتریسیته به سطح عصب یا ماهیچه از طریق دو الکترود کوچک است که یکی از آنها دارای بار منفی و دیگری دارای بار مثبت است. هنگامی‌که الکتریسیته به این روش اعمال می‌شود، غشای تحریک پذیر در الکترود منفی تحریک می‌شود.

Remember that the action potential is initiated by the opening of voltage-gated sodium channels. Furthermore, these channels are opened by a decrease in the normal rest- ing electrical voltage across the membrane-that is, nega- tive current from the electrode decreases the voltage on the outside of the membrane to a negative value nearer to the voltage of the negative potential inside the fiber. This effect decreases the electrical voltage across the membrane and allows the sodium channels to open, resulting in an action potential. Conversely, at the positive electrode, the injec- tion of positive charges on the outside of the nerve mem- brane heightens the voltage difference across the mem- brane, rather than lessening it. This effect causes a state of hyperpolarization, which actually decreases the excitability of the fiber rather than causing an action potential.

به یاد داشته باشید که پتانسیل عمل با باز شدن کانال‌های سدیم دارای ولتاژ آغاز می‌شود. علاوه بر این، این کانال‌ها با کاهش ولتاژ الکتریکی در حالت استراحت در سراسر غشا باز می‌شوند، یعنی جریان منفی از الکترود ولتاژ بیرونی غشا را به مقدار منفی نزدیک‌تر به ولتاژ پتانسیل منفی داخل فیبر کاهش می‌دهد. این اثر باعث کاهش ولتاژ الکتریکی در سراسر غشا می‌شود و به کانال‌های سدیم اجازه می‌دهد تا باز شوند و در نتیجه پتانسیل عمل ایجاد می‌شود. برعکس، در الکترود مثبت، تزریق بارهای مثبت در قسمت بیرونی غشای عصب، به جای کاهش آن، اختلاف ولتاژ در سراسر غشاء را افزایش می‌دهد. این اثر باعث ایجاد حالت‌هایپرپولاریزاسیون می‌شود که در واقع تحریک پذیری فیبر را کاهش می‌دهد تا اینکه باعث ایجاد پتانسیل عمل شود.

Threshold for Excitation and Acute Local Potentials. A weak negative electrical stimulus may not be able to excite a fiber. However, when the voltage of the stimu- lus is increased, there comes a point at which excitation does take place. Figure 5-18 shows the effects of suc- cessively applied stimuli of progressing strength. A weak stimulus at point A causes the membrane potential to change from -70 to -65 millivolts, but this change is not sufficient for the automatic regenerative processes of the action potential to develop. At point B, the stimu- lus is greater, but the intensity is still not enough. The stimulus does, however, disturb the membrane potential locally for as long as 1 millisecond or more after both of these weak stimuli. These local potential changes are called acute local potentials and, when they fail to elicit an action potential, they are called acute subthreshold potentials.

آستانه برای تحریک و پتانسیل‌های حاد محلی. یک محرک الکتریکی منفی ضعیف ممکن است نتواند یک فیبر را تحریک کند. با این حال، هنگامی‌که ولتاژ محرک افزایش می‌یابد، نقطه ای می‌رسد که در آن تحریک اتفاق می‌افتد. شکل ۵-۱۸ اثرات محرک‌های اعمال شده پی در پی قدرت پیشرونده را نشان می‌دهد. یک محرک ضعیف در نقطه A باعث می‌شود پتانسیل غشاء از ۷۰- به ۶۵- میلی ولت تغییر کند، اما این تغییر برای توسعه فرآیندهای بازسازی خودکار پتانسیل عمل کافی نیست. در نقطه B، محرک بیشتر است، اما شدت آن هنوز کافی نیست. با این حال، محرک پتانسیل غشاء را به صورت موضعی به مدت ۱ میلی ثانیه یا بیشتر پس از هر دوی این محرک‌های ضعیف مختل می‌کند. این تغییرات پتانسیل محلی، پتانسیل‌های محلی حاد نامیده می‌شوند و زمانی که نتوانند پتانسیل عمل را ایجاد کنند، پتانسیل‌های زیرآستانه حاد نامیده می‌شوند.

At point C in Figure 5-18, the stimulus is even stronger. Now, the local potential has barely reached the threshold level required to elicit an action potential, but this occurs only after a short “latent period” At point D, the stimulus is still stronger, the acute local potential is also stronger, and the action potential occurs after less of a latent period.

در نقطه C در شکل ۵-۱۸، محرک حتی قوی تر است. اکنون، پتانسیل محلی به سختی به سطح آستانه لازم برای برانگیختن یک پتانسیل کنش رسیده است، اما این تنها پس از یک «دوره نهفته» کوتاه در نقطه D، محرک همچنان قوی‌تر است، پتانسیل محلی حاد نیز قوی‌تر است، و پتانسیل عمل پس از یک دوره نهفته کمتر رخ می‌دهد.

Thus, this figure shows that even a weak stimulus causes a local potential change at the membrane, but the intensity of the local potential must rise to a threshold level before the action potential is set off.

بنابراین، این شکل نشان می‌دهد که حتی یک محرک ضعیف باعث تغییر پتانسیل موضعی در غشاء می‌شود، اما شدت پتانسیل موضعی باید قبل از شروع پتانسیل عمل تا یک سطح آستانه افزایش یابد.

Figure 5-18.
Effect of stimuli of increasing voltages to elicit an action potential. Note the development of acute subthreshold potentials when the stimuli are below the threshold value required for eliciting an action potential.

شکل ۵-۱۸.
اثر محرک‌های افزایش ولتاژ برای برانگیختن پتانسیل عمل. به توسعه پتانسیل‌های زیرآستانه حاد هنگامی‌که محرک‌ها کمتر از مقدار آستانه مورد نیاز برای برانگیختن پتانسیل عمل هستند توجه کنید.

REFRACTORY PERIOD AFTER AN ACTION POTENTIAL, DURING WHICH A NEW STIMULUS CANNOT BE ELICITED

A new action potential cannot occur in an excitable fiber as long as the membrane is still depolarized from the preced- ing action potential. The reason for this restriction is that shortly after the action potential is initiated, the sodium channels (or calcium channels, or both) become inacti- vated, and no amount of excitatory signal applied to these channels at this point will open the inactivation gates. The only condition that will allow them to reopen is for the membrane potential to return to or near the original resting membrane potential level. Then, within another small fraction of a second, the inactivation gates of the channels open, and a new action potential can be initiated.

دوره نسوز پس از یک پتانسیل عمل، که در طی آن محرک جدید نمی‌تواند ایجاد شود

تا زمانی که غشاء هنوز از پتانسیل عمل قبلی دپلاریزه شده باشد، پتانسیل عمل جدید نمی‌تواند در یک فیبر تحریک پذیر رخ دهد. دلیل این محدودیت این است که مدت کوتاهی پس از شروع پتانسیل عمل، کانال‌های سدیم (یا کانال‌های کلسیم یا هر دو) غیرفعال می‌شوند و هیچ مقدار سیگنال تحریکی اعمال شده به این کانال‌ها در این نقطه دروازه‌های غیرفعال را باز نمی‌کند. تنها شرطی که به آنها اجازه می‌دهد دوباره باز شوند این است که پتانسیل غشاء به سطح پتانسیل غشاء استراحت اولیه یا نزدیک به آن بازگردد. سپس، در کسری کوچک دیگر از ثانیه، دروازه‌های غیرفعال شدن کانال‌ها باز می‌شوند و می‌توان یک پتانسیل اقدام جدید آغاز کرد.

The period during which a second action potential can- not be elicited, even with a strong stimulus, is called the absolute refractory period. This period for large myelin- ated nerve fibers is about 1/2500 second. Therefore, one can readily calculate that such a fiber can transmit a maxi- mum of about 2500 impulses per second.

دوره ای که در طی آن پتانسیل عمل دوم حتی با یک محرک قوی نمی‌تواند ایجاد شود، دوره نسوز مطلق نامیده می‌شود. این دوره برای رشته‌های عصبی میلین دار بزرگ حدود ۱/۲۵۰۰ ثانیه است. بنابراین، می‌توان به راحتی محاسبه کرد که چنین فیبری می‌تواند حداکثر ۲۵۰۰ ضربه در ثانیه را منتقل کند.

Inhibition of Excitability-Stabilizers and Local Anesthetics

In contrast to the factors that increase nerve excitability, membrane-stabilizing factors can decrease excitability. For example, a high extracellular fluid calcium ion concentration decreases membrane permeability to sodium ions and simultaneously reduces excitability. Therefore, calcium ions are said to be what is called a stabilizer.

مهار تحریک پذیری – تثبیت کننده‌ها و بی حس کننده‌های موضعی

بر خلاف عواملی که تحریک پذیری عصبی را افزایش می‌دهند، عوامل تثبیت کننده غشاء می‌توانند تحریک پذیری را کاهش دهند. به عنوان مثال، غلظت بالای یون کلسیم مایع خارج سلولی، نفوذپذیری غشاء به یون‌های سدیم را کاهش می‌دهد و به طور همزمان تحریک پذیری را کاهش می‌دهد. بنابراین گفته می‌شود که یون‌های کلسیم چیزی است که به آن تثبیت کننده می‌گویند.

Local Anesthetics. Among the most important sta- bilizers are the many substances used clinically as local anesthetics, including procaine and tetracaine. Most of these agents act directly on the activation gates of the so- dium channels, making it much more difficult for these gates to open and thereby reducing membrane excitabil- ity. When excitability has been reduced so low that the ratio of action potential strength to excitability threshold (called the safety factor) is reduced below 1.0, nerve im- pulses fail to pass along the anesthetized nerves.

بی حس کننده‌های موضعی. از جمله مهم‌ترین تثبیت‌کننده‌ها، بسیاری از موادی هستند که از نظر بالینی به عنوان بی‌حس کننده موضعی از جمله پروکائین و تتراکائین استفاده می‌شوند. بیشتر این عوامل مستقیماً روی دروازه‌های فعال‌سازی کانال‌های سدیمی‌عمل می‌کنند و باز شدن این دروازه‌ها را بسیار دشوارتر می‌کنند و در نتیجه تحریک‌پذیری غشاء را کاهش می‌دهند. هنگامی‌که تحریک پذیری آنقدر کم می‌شود که نسبت قدرت پتانسیل عمل به آستانه تحریک پذیری (به نام ضریب ایمنی) به زیر ۱.۰ کاهش می‌یابد، تکانه‌های عصبی در امتداد اعصاب بیهوش شده عبور نمی‌کنند.

Bibliography

کتابشناسی

Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al: Molecular Biology of the Cell, 5th ed. New York: Garland Science, 2008.
Bennett DL, Clark AJ, Huang J, Waxman SG, Dib-Hajj SD. The Role of Voltage-Gated Sodium Channels in Pain Signaling. Physiol Rev 99:1079-1151, 2019.

Bentley M, Banker G. The cellular mechanisms that maintain neuronal polarity. Nat Rev Neurosci 17:611-622, 2016.

Blaesse P, Airaksinen MS, Rivera C, Kaila K: Cation-chloride cotrans- porters and neuronal function. Neuron 61:820, 2009. Dai S, Hall DD, Hell JW: Supramolecular assemblies and localized reg- ulation of voltage-gated ion channels. Physiol Rev 89:411, 2009. Debanne D, Campanac E, Bialowas A, et al: Axon physiology. Physiol Rev 91:555, 2011.

Delmas P, Hao J, Rodat-Despoix L: Molecular mechanisms of mecha- notransduction in mammalian sensory neurons. Nat Rev Neurosci 12:139, 2011.

Dib-Hajj SD, Yang Y, Black JA, Waxman SG: The Na(V)1.7 sodium channel: from molecule to man. Nat Rev Neurosci 14:49, 2013. Hodgkin AL, Huxley AF: Quantitative description of membrane cur- rent and its application to conduction and excitation in nerve. J Physiol (Lond) 117:500, 1952.

Kaczmarek LK, Zhang Y Kv3 Channels: Enablers of rapid firing, neurotransmitter release, and neuronal endurance. Physiol Rev 97:1431-1468, 2017.

Kaila K, Price TJ, Payne JA, Puskarjov M, Voipio J. Cation-chloride cotransporters in neuronal development, plasticity and disease. Nat Rev Neurosci 15:637-654, 2014.

Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM: Principles of Neural Science, 5th ed. New York: McGraw-Hill, 2012.

Kleber AG, Rudy Y: Basic mechanisms of cardiac impulse propagation and associated arrhythmias. Physiol Rev 84:431, 2004. 

Leterrier C, Dubey P, Roy S. The nano-architecture of the axonal cy- toskeleton. Nat Rev Neurosci 18:713-726, 2017.

Mangoni ME, Nargeot J: Genesis and regulation of the heart automa- ticity. Physiol Rev 88:919, 2008.

Micu I, Plemel JR, Caprariello AV, Nave KA, Stys PK. Axo-myelinic neurotransmission: a novel mode of cell signalling in the central nervous system Nat Rev Neurosci. 19:49-58, 2018. Pangrsic T, Singer JH, Koschak A. Voltage-gated calcium channels: key players in sensory coding in the retina and the inner ear. Physiol Rev 98:2063-2096, 2018.
Philips T, Rothstein JD. Oligodendroglia: metabolic supporters of neu- rons. J Clin Invest 127:3271-3280, 2017.

Chapter 5 Membrane Potentials and Action Potentials
Rasband MN: The axon initial segment and the maintenance of neu- ronal polarity. Nat Rev Neurosci 11:552, 2010.

Ross WN: Understanding calcium waves and sparks in central neu- rons. Nat Rev Neurosci 13:157, 2012.

Schmitt N, Grunnet M, Olesen SP. Cardiac potassium channel sub- types: new roles in repolarization and arrhythmia. Physiol Rev 94:609-
Vacher H, Mohapatra DP, Trimmer JS: Localization and targeting of voltage-dependent ion channels in mammalian central neurons. Physiol Rev 88:1407, 2008.

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---