Overview

THE ACTION POTENTIAL IS A FUNDAMENTAL electrical signal generated by nerve cells and arises from changes in membrane permeability to specific ions. Present understanding of these changes in ion permeability is based on evidence obtained by the voltage clamp technique, which permits detailed characterization of permeability changes as a function of membrane potential and time. For most types of neurons, these changes consist of a rapid and transient rise in sodium (Na⁺) permeability, followed by a slower but more prolonged rise in potassium (K⁺) permeability. Both permeabilities are voltage-dependent, increasing as the membrane potential depolarizes. The measured kinetics and voltage dependence of Na⁺ and K⁺ permeabilities are sufficient to explain action potential generation. Depolarizing the membrane potential to the threshold level causes a rapid, self-sustaining increase in Na⁺ permeability that produces the rising phase of the action potential; however, the Na⁺ permeability increase is short-lived and is followed by a slower increase in K⁺ permeability that restores the membrane potential to its usual negative resting level. A mathematical model that describes the behavior of these ion permeabilities accurately predicts the observed properties of action potentials. Importantly, voltage-dependent Na⁺ and K⁺ permeabilities also permit action potentials to be propagated along the length of axons, explaining how electrical signals are conveyed within neurons throughout the nervous system.

مرور کلی

پتانسیل عمل یک سیگنال الکتریکی اساسی است که توسط سلول‌های عصبی تولید می‌شود و از تغییرات نفوذپذیری غشاء به یون‌های خاص ناشی می‌شود. درک فعلی از این تغییرات در نفوذپذیری یون بر اساس شواهد به‌دست‌آمده از تکنیک گیره ولتاژ است که امکان توصیف دقیق تغییرات نفوذپذیری را به عنوان تابعی از پتانسیل غشاء و زمان فراهم می‌کند. برای اکثر انواع نورون‌ها، این تغییرات شامل افزایش سریع و گذرا در نفوذپذیری سدیم (⁺Na) و به دنبال آن افزایش کندتر اما طولانی‌تر در نفوذپذیری پتاسیم (⁺K) است. هر دو نفوذپذیری وابسته به ولتاژ هستند و با دپلاریزه شدن پتانسیل غشاء افزایش می‌یابند. سینتیک اندازه‌گیری شده و وابستگی ولتاژ نفوذپذیری ⁺Na و ⁺K برای توضیح تولید پتانسیل عمل کافی است. دپلاریزه کردن پتانسیل غشاء تا سطح آستانه باعث افزایش سریع و خودپایدار در نفوذپذیری ⁺Na می‌شود که فاز صعودی پتانسیل عمل را ایجاد می‌کند. با این حال، افزایش نفوذپذیری ⁺Na کوتاه‌مدت است و به دنبال آن افزایش کندتری در نفوذپذیری ⁺K رخ می‌دهد که پتانسیل غشاء را به سطح استراحت منفی معمول خود بازمی‌گرداند. یک مدل ریاضی که رفتار این نفوذپذیری‌های یونی را توصیف می‌کند، خواص مشاهده‌شده پتانسیل‌های عمل را به طور دقیق پیش‌بینی می‌کند. نکته مهم این است که نفوذپذیری‌های وابسته به ولتاژ ⁺Na و ⁺K همچنین اجازه می‌دهند پتانسیل‌های عمل در طول آکسون‌ها منتشر شوند و توضیح دهند که چگونه سیگنال‌های الکتریکی در نورون‌ها در سراسر سیستم عصبی منتقل می‌شوند.

Ion Currents across Nerve Cell Membranes

The previous chapter introduced the idea that nerve cells generate electrical signals by virtue of a membrane that is differentially permeable to various ion species. In particular, a transient increase in the permeability of the neuronal membrane to Na⁺ initiates the action potential. This chapter considers exactly how this increase in Na⁺ permeability occurs. A key to understanding this phenomenon is the observation that action potentials are initiated only when the neuronal membrane potential becomes more positive than a threshold level. This observation suggests that the mechanism responsible for the increase in Na⁺ permeability is sensitive to the membrane potential. Therefore, if one could understand how a change in membrane potential activates Na⁺ permeability, it should be possible to explain how action potentials are generated.

جریان‌های یونی در غشاهای سلول‌های عصبی

فصل قبل این ایده را مطرح کرد که سلول‌های عصبی به واسطه غشایی که به طور متفاوتی نسبت به گونه‌های مختلف یون نفوذپذیر است، سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌کنند. به طور خاص، افزایش گذرا در نفوذپذیری غشای نورونی به ⁺Na پتانسیل عمل را آغاز می‌کند. این فصل دقیقاً چگونگی وقوع این افزایش نفوذپذیری ⁺Na را بررسی می‌کند. کلید درک این پدیده، مشاهده این است که پتانسیل‌های عمل تنها زمانی آغاز می‌شوند که پتانسیل غشای نورونی از سطح آستانه مثبت‌تر شود. این مشاهده نشان می‌دهد که مکانیسم مسئول افزایش نفوذپذیری ⁺Na به پتانسیل غشا حساس است. بنابراین، اگر بتوان فهمید که چگونه تغییر در پتانسیل غشا، نفوذپذیری ⁺Na را فعال می‌کند، باید بتوان توضیح داد که چگونه پتانسیل‌های عمل تولید می‌شوند.

The fact that the Na⁺ permeability that generates the membrane potential change is itself sensitive to the membrane potential presents both conceptual and practical obstacles to studying the mechanisms underlying the action potential. A practical problem is the difficulty of systematically varying the membrane potential to study the permeability change, because such changes in membrane potential will produce an action potential, which causes further, uncontrolled changes in the membrane potential. Historically, then, it was not possible to understand action potentials until a technique was developed that allowed experimenters to control membrane potential and simultaneously measure the underlying permeability changes. This technique, the voltage clamp method (Box 3A), provides the information needed to define the ion permeability of the membrane at any level of membrane potential.

این واقعیت که نفوذپذیری ⁺Na که باعث تغییر پتانسیل غشا می‌شود، خود به پتانسیل غشا حساس است، موانع مفهومی و عملی را برای مطالعه مکانیسم‌های زیربنایی پتانسیل عمل ایجاد می‌کند. یک مشکل عملی، دشواری تغییر سیستماتیک پتانسیل غشا برای مطالعه تغییر نفوذپذیری است، زیرا چنین تغییراتی در پتانسیل غشا، پتانسیل عملی ایجاد می‌کند که باعث تغییرات بیشتر و کنترل نشده در پتانسیل غشا می‌شود. از نظر تاریخی، درک پتانسیل‌های عمل تا زمانی که تکنیکی توسعه داده نشد که به آزمایشگران اجازه دهد پتانسیل غشا را کنترل کرده و همزمان تغییرات نفوذپذیری اساسی را اندازه‌گیری کنند، امکان‌پذیر نبود. این تکنیک، روش گیره ولتاژ (کادر 3A)، اطلاعات مورد نیاز برای تعریف نفوذپذیری یونی غشا در هر سطح از پتانسیل غشا را فراهم می‌کند.

In the late 1940s, Alan Hodgkin and Andrew Huxley, from the University of Cambridge, used the voltage clamp technique to work out the permeability changes underlying the action potential. They again chose to use the giant axon of a squid because its large size (up to 1 mm in diameter; see Box 2A) allowed insertion of the electrodes necessary for voltage clamping. They were the first investigators to test directly the hypothesis that potential-sensitive Na⁺ and K⁺ permeability changes are both necessary and sufficient for the production of action potentials.

در اواخر دهه ۱۹۴۰، آلن هاجکین و اندرو هاکسلی از دانشگاه کمبریج، از تکنیک ولتاژ کلمپ برای بررسی تغییرات نفوذپذیری که زیربنای پتانسیل عمل هستند، استفاده کردند. آنها دوباره تصمیم گرفتند از آکسون غول‌پیکر یک ماهی مرکب استفاده کنند، زیرا اندازه بزرگ آن (تا قطر ۱ میلی‌متر؛ به کادر ۲A مراجعه کنید) امکان قرار دادن الکترودهای لازم برای ولتاژ کلمپ را فراهم می‌کرد. آنها اولین محققانی بودند که مستقیماً این فرضیه را آزمایش کردند که تغییرات نفوذپذیری حساس به پتانسیل ⁺Na و ⁺K برای تولید پتانسیل‌های عمل، هم لازم و هم کافی هستند.

BOX  3A ◊ The Voltage Clamp Method

Breakthroughs in scientific research often rely on the development of new technologies. In the case of the action potential, detailed understanding came only after of the invention of the voltage clamp technique by Kenneth Cole in the 1940s. This device is called a voltage clamp because it controls, or clamps, membrane potential (or voltage) at any level desired by the experimenter. The method measures the membrane potential with an electrode placed inside the cell (1) and electronically compares this voltage with the voltage to be maintained (called the command voltage) The clamp circuitry then passes a current back into the cell though another intracellular electrode (3). This electronic feedback circuit holds the membrane potential at the desired level, even in the face of permeability changes that would normally alter the membrane potential (such as those generated during the action potential). Most importantly, the device permits the simultaneous measurement of the current needed to keep the cell at a given voltage (4). This current is exactly equal to the amount of current flowing across the neuronal membrane, allowing direct measurement of these membrane currents. Therefore, the voltage clamp technique can indicate how membrane potential influences ion current flow across the membrane. This information gave Hodgkin and Huxley the key insights that led to their model for action potential generation.

کادر ۳A ◊ روش گیره ولتاژ

پیشرفت‌ها در تحقیقات علمی اغلب به توسعه فناوری‌های جدید متکی هستند. در مورد پتانسیل عمل، درک دقیق تنها پس از اختراع تکنیک گیره ولتاژ توسط کنت کول در دهه 1940 حاصل شد. این دستگاه گیره ولتاژ نامیده می‌شود زیرا پتانسیل غشاء (یا ولتاژ) را در هر سطح مورد نظر آزمایشگر کنترل یا گیره می‌کند. این روش پتانسیل غشاء را با الکترودی که در داخل سلول قرار می‌گیرد (1) اندازه‌گیری می‌کند و به صورت الکترونیکی این ولتاژ را با ولتاژی که باید حفظ شود (به نام ولتاژ فرمان) مقایسه می‌کند. سپس مدار گیره جریانی را از طریق یک الکترود درون سلولی دیگر به داخل سلول برمی‌گرداند (3). این مدار بازخورد الکترونیکی، پتانسیل غشاء را در سطح مورد نظر نگه می‌دارد، حتی در مواجهه با تغییرات نفوذپذیری که به طور معمول پتانسیل غشاء را تغییر می‌دهند (مانند تغییرات ایجاد شده در طول پتانسیل عمل). مهمتر از همه، این دستگاه امکان اندازه‌گیری همزمان جریان مورد نیاز برای نگه داشتن سلول در یک ولتاژ معین را فراهم می‌کند (4). این جریان دقیقاً برابر با مقدار جریانی است که از غشای نورونی عبور می‌کند و امکان اندازه‌گیری مستقیم این جریان‌های غشایی را فراهم می‌کند. بنابراین، تکنیک ولتاژ کلمپ می‌تواند نشان دهد که چگونه پتانسیل غشا بر جریان یونی در سراسر غشا تأثیر می‌گذارد. این اطلاعات به هاجکین و هاکسلی بینش‌های کلیدی داد که منجر به مدل آنها برای تولید پتانسیل عمل شد.

Today, the voltage clamp method remains widely used to study ion currents in neurons and other cells. The most popular contemporary version of this approach is the patch clamp technique, a method that can be applied to virtually any cell and has a resolution high enough to measure the minute electrical currents flowing through single ion channels (see Box 4A).

امروزه، روش گیره ولتاژ همچنان به طور گسترده برای مطالعه جریان‌های یونی در نورون‌ها و سایر سلول‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. محبوب‌ترین نسخه معاصر این رویکرد، تکنیک گیره وصله‌ای است، روشی که می‌تواند تقریباً برای هر سلولی اعمال شود و وضوح آن به اندازه کافی بالا است تا جریان‌های الکتریکی جزئی که از طریق کانال‌های یونی منفرد جریان می‌یابند را اندازه‌گیری کند (به کادر 4A مراجعه کنید).

Hodgkin and Huxley’s first goal was to determine whether neuronal membranes do, in fact, have voltage-dependent permeabilities. To address this issue, they asked whether ion currents flow across the membrane when its potential is changed. The result of one such experiment is shown in Figure 3.1. Figure 3.1A illustrates the currents produced by a squid axon when its membrane potential, Vm, is hyperpolarized from the resting level (–65 mV) to –130 mV. The initial response of the axon results from the redistribution of charge across the axonal membrane. This capacitive current is nearly instantaneous, ending within a fraction of a millisecond. Aside from this brief event, very little current flows when the membrane is hyperpolarized. However, when the membrane potential is depolarized from –65 mV to 0 mV, the response is quite different (see Figure 3.1B). Following the capacitive current, the axon produces a rapidly rising inward ion current (inward refers to a positive charge entering the cell—that is, cations in or anions out), which gives way to a more slowly rising, delayed outward current. The fact that membrane depolarization elicits these ion currents establishes that the membrane permeability of axons is indeed voltage-dependent.

اولین هدف هاجکین و هاکسلی تعیین این بود که آیا غشاهای نورونی در واقع نفوذپذیری وابسته به ولتاژ دارند یا خیر. برای پرداختن به این موضوع، آنها این سوال را مطرح کردند که آیا جریان‌های یونی هنگام تغییر پتانسیل غشا از آن عبور می‌کنند یا خیر. نتیجه یکی از این آزمایش‌ها در شکل 3.1 نشان داده شده است. شکل 3.1A جریان‌های تولید شده توسط آکسون ماهی مرکب را هنگامی که پتانسیل غشای آن، Vm، از سطح استراحت (-65 میلی‌ولت) به -130 میلی‌ولت بیش‌قطبی می‌شود، نشان می‌دهد. پاسخ اولیه آکسون ناشی از توزیع مجدد بار در غشای آکسون است. این جریان خازنی تقریباً آنی است و در کسری از میلی‌ثانیه به پایان می‌رسد. گذشته از این رویداد کوتاه، هنگامی که غشا بیش‌قطبی می‌شود، جریان بسیار کمی جریان می‌یابد. با این حال، هنگامی که پتانسیل غشا از -65 میلی‌ولت به 0 میلی‌ولت دپلاریزه می‌شود، پاسخ کاملاً متفاوت است (شکل 3.1B را ببینید). به دنبال جریان خازنی، آکسون یک جریان یونی رو به داخل (به داخل به معنای ورود بار مثبت به سلول است – یعنی ورود کاتیون‌ها یا خروج آنیون‌ها) با سرعت افزایش می‌یابد که جای خود را به یک جریان رو به بیرون با تأخیر و افزایش آهسته‌تر می‌دهد. این واقعیت که دپلاریزاسیون غشا باعث ایجاد این جریان‌های یونی می‌شود، ثابت می‌کند که نفوذپذیری غشای آکسون‌ها در واقع وابسته به ولتاژ است.

FIGURE 3.1 Current flow across a squid axon membrane during a voltage clamp experiment. (A) A 65 mV hyperpolarization of the membrane potential produces only a very brief capacitive current. (B) A 65 mV depolarization of the membrane potential also produces a brief capacitive current, which is followed by a longer lasting but transient phase of inward current and a delayed but sustained outward current. (After Hodgkin et al., 1952.)

شکل ۳.۱ جریان عبوری از غشای آکسون ماهی مرکب در طول آزمایش گیره ولتاژ. (الف) هایپرپلاریزاسیون ۶۵ میلی‌ولتی پتانسیل غشا تنها یک جریان خازنی بسیار کوتاه تولید می‌کند. (ب) واپراپلاریزاسیون ۶۵ میلی‌ولتی پتانسیل غشا نیز یک جریان خازنی کوتاه تولید می‌کند که پس از آن یک فاز طولانی‌تر اما گذرا از جریان درونی و یک جریان بیرونی با تأخیر اما پایدار ایجاد می‌شود. (برگرفته از هاجکین و همکاران، ۱۹۵۲)

Two Types of Voltage-Dependent Ion Currents

The results shown in Figure 3.1 demonstrate that the ion permeability of neuronal membranes is voltage-sensitive, but the experiments do not identify how many types of permeability exist, or which ions are involved. As discussed in Chapter 2 (see Figure 2.6), varying the potential across a membrane makes it possible to deduce the equilibrium potential for the ion fluxes through the membrane, and thus to identify the ions that are flowing. Because the voltage clamp method allows the membrane potential to be changed while measuring ion currents, it was a straightforward matter for Hodgkin and Huxley to determine ion permeability by examining how the properties of the initial inward and later outward currents changed as the membrane potential was varied (Figure 3.2). As already noted, no appreciable ion currents flow at membrane potentials more negative than the resting potential. At more positive potentials, however, the currents not only flow but change in magnitude. The early current has a U-shaped dependence on membrane potential, increasing over a range of depolarizations up to approximately 0 mV but decreasing as the potential is depolarized further. In contrast, the late current increases monotonically with increasingly positive membrane potentials. These different responses to membrane potential can be seen more clearly when the magnitudes of the two current components are plotted as a function of membrane potential, as in Figure 3.3.

دو نوع جریان یونی وابسته به ولتاژ

نتایج نشان داده شده در شکل 3.1 نشان می‌دهد که نفوذپذیری یونی غشاهای نورونی به ولتاژ حساس است، اما آزمایش‌ها مشخص نمی‌کنند که چند نوع نفوذپذیری وجود دارد یا کدام یون‌ها درگیر هستند. همانطور که در فصل 2 بحث شد (به شکل 2.6 مراجعه کنید)، تغییر پتانسیل در سراسر یک غشا، امکان استنباط پتانسیل تعادل برای شارهای یونی از طریق غشا و در نتیجه شناسایی یون‌های در حال جریان را فراهم می‌کند. از آنجا که روش گیره ولتاژ امکان تغییر پتانسیل غشا را در حین اندازه‌گیری جریان‌های یونی فراهم می‌کند، برای هاجکین و هاکسلی تعیین نفوذپذیری یون با بررسی چگونگی تغییر خواص جریان‌های اولیه به سمت داخل و جریان‌های بعدی به سمت خارج با تغییر پتانسیل غشا، کار ساده‌ای بود (شکل 3.2). همانطور که قبلاً اشاره شد، هیچ جریان یونی قابل توجهی در پتانسیل‌های غشایی منفی‌تر از پتانسیل استراحت جریان نمی‌یابد. با این حال، در پتانسیل‌های مثبت‌تر، جریان‌ها نه تنها جریان می‌یابند، بلکه از نظر بزرگی نیز تغییر می‌کنند. جریان اولیه وابستگی U شکل به پتانسیل غشا دارد و در طیف وسیعی از دپلاریزاسیون‌ها تا تقریباً 0 میلی‌ولت افزایش می‌یابد، اما با دپلاریزاسیون بیشتر پتانسیل، کاهش می‌یابد. در مقابل، جریان تأخیری با پتانسیل‌های غشایی مثبت‌تر، به طور یکنواخت افزایش می‌یابد. این پاسخ‌های متفاوت به پتانسیل غشا را می‌توان زمانی که بزرگی دو مؤلفه جریان به عنوان تابعی از پتانسیل غشا رسم می‌شوند، مانند شکل 3.3، واضح‌تر مشاهده کرد.

FIGURE 3.2 Currents produced by membrane depolarizations to several different potentials. The early current first increases, then decreases in magnitude as depolarization increases; note that this current reverses its polarity at potentials more positive than about +55 mV. The later outward current increases monotonically with increasing depolarization. (After Hodgkin et al., 1952.)

شکل ۳.۲ جریان‌های تولید شده توسط دپلاریزاسیون‌های غشایی در چندین پتانسیل مختلف. جریان اولیه ابتدا افزایش می‌یابد، سپس با افزایش دپلاریزاسیون، اندازه آن کاهش می‌یابد؛ توجه داشته باشید که این جریان در پتانسیل‌های مثبت‌تر از حدود ۵۵+ میلی‌ولت، قطبیت خود را معکوس می‌کند. جریان خروجی بعدی با افزایش دپلاریزاسیون به صورت یکنواخت افزایش می‌یابد. (به نقل از هاجکین و همکاران، ۱۹۵۲.)

FIGURE 3.3 Relationship between current amplitude and membrane potential. Experiments such as the one shown in Figure 3.2 indicate that the late outward current increases steeply with increasing depolarization, whereas the early inward current first increases in magnitude but then decreases and reverses to outward current at about +55 mV (the sodium equilibrium potential). (After Hodgkin et al., 1952.)

شکل ۳.۳ رابطه بین دامنه جریان و پتانسیل غشا. آزمایش‌هایی مانند آنچه در شکل ۳.۲ نشان داده شده است نشان می‌دهد که جریان خروجی دیرهنگام با افزایش دپلاریزاسیون به شدت افزایش می‌یابد، در حالی که جریان ورودی زودهنگام ابتدا از نظر اندازه افزایش می‌یابد اما سپس کاهش می‌یابد و در حدود ۵۵+ میلی‌ولت (پتانسیل تعادل سدیم) به جریان خروجی معکوس می‌شود. (برگرفته از هاجکین و همکاران، ۱۹۵۲)

The voltage sensitivity of the early current gives an important clue about the nature of the ions carrying the current—namely, that no current flows when the membrane potential is clamped at +52 mV. For the squid neurons studied by Hodgkin and Huxley, the external Na⁺ concentration is 440 mM, and the internal Na⁺ concentration is 50 mM (see Table 2.1). For this concentration gradient, the Nernst equation predicts that the equilibrium potential for Na⁺ should be +55 mV. Recall further from Chapter 2 that at the Na⁺ equilibrium potential there is no net flux of Na⁺ across the membrane, even if the membrane is highly permeable to Na⁺. Thus, the experimental observation that no early current flows at the membrane potential where Na⁺ cannot flow is a strong indication that the current is carried by entry of Na⁺ into the axon.

حساسیت ولتاژ جریان اولیه سرنخ مهمی در مورد ماهیت یون‌های حامل جریان می‌دهد – یعنی اینکه وقتی پتانسیل غشا در 52+ میلی‌ولت ثابت نگه داشته می‌شود، هیچ جریانی جریان نمی‌یابد. برای نورون‌های ماهی مرکب مورد مطالعه هاجکین و هاکسلی، غلظت ⁺Na خارجی 440 میلی‌مولار و غلظت ⁺Na داخلی 50 میلی‌مولار است (به جدول 2.1 مراجعه کنید). برای این گرادیان غلظت، معادله نرنست پیش‌بینی می‌کند که پتانسیل تعادل برای ⁺Na باید 55+ میلی‌ولت باشد. از فصل 2 به یاد بیاورید که در پتانسیل تعادل Na+، هیچ شار خالصی از ⁺Na در سراسر غشا وجود ندارد، حتی اگر غشا نسبت به ⁺Na بسیار نفوذپذیر باشد. بنابراین، مشاهده تجربی مبنی بر اینکه هیچ جریان اولیه‌ای در پتانسیل غشا که ⁺Na نمی‌تواند جریان یابد، جریان ندارد، نشانه محکمی است که جریان با ورود ⁺Na به آکسون انجام می‌شود.

An even more demanding way to test whether Na⁺ carries the early current is to examine the behavior of this current after removing external Na⁺. Removing Na⁺ outside the axon makes ENa negative; if the permeability to Na⁺ is increased under these conditions, current should flow outward as Na⁺ leaves the neuron, due to the reversed electrochemical gradient. Hodgkin and Huxley performed this experiment, and found that removing external Na⁺caused the early current to reverse its polarity and become an outward current at a membrane potential that gave rise to an inward current when external Na⁺ was present (Figure 3.4). This result demonstrates convincingly that the early inward current measured when Na⁺ is present in the external medium must be due to Na⁺ entering the neuron.

یک راه حتی دشوارتر برای آزمایش اینکه آیا ⁺Na جریان اولیه را حمل می‌کند یا خیر، بررسی رفتار این جریان پس از حذف ⁺Na خارجی است. حذف Na+ از آکسون، ENa را منفی می‌کند؛ اگر نفوذپذیری به ⁺Na تحت این شرایط افزایش یابد، جریان باید به دلیل گرادیان الکتروشیمیایی معکوس، هنگام خروج ⁺Na از نورون به سمت بیرون جریان یابد. هاجکین و هاکسلی این آزمایش را انجام دادند و دریافتند که حذف ⁺Na خارجی باعث می‌شود جریان اولیه قطبیت خود را معکوس کند و به یک جریان بیرونی در پتانسیل غشایی تبدیل شود که در صورت وجود ⁺Na خارجی، جریان درونی ایجاد می‌کند (شکل 3.4). این نتیجه به طور قانع‌کننده‌ای نشان می‌دهد که جریان درونی اولیه اندازه‌گیری شده هنگام حضور ⁺Na در محیط خارجی باید به دلیل ورود Na+ به نورون باشد.

In the experiment shown in Figure 3.4, removal of external Na⁺ has little effect on the outward current that flows after the neuron has been kept at a depolarized membrane voltage for several milliseconds. This further result shows that the late outward current must be due to the flow of an ion other than Na⁺. Several lines of evidence presented by Hodgkin, Huxley, and others showed that this outward current is caused by K⁺ exiting the neuron. Perhaps the most compelling demonstration of K⁺ involvement is that the amount of K⁺ efflux from the neuron (measured by loading the neuron with radioactive K⁺) is closely correlated with the magnitude of the late outward current.

در آزمایش نشان داده شده در شکل 3.4، حذف ⁺Na خارجی تأثیر کمی بر جریان بیرونی که پس از نگه داشتن نورون در ولتاژ غشایی دپلاریزه شده برای چند میلی‌ثانیه جریان می‌یابد، دارد. این نتیجه بیشتر نشان می‌دهد که جریان بیرونی دیرهنگام باید به دلیل جریان یونی غیر از ⁺Na باشد. شواهد متعددی که توسط هاجکین، هاکسلی و دیگران ارائه شده است، نشان می‌دهد که این جریان رو به بیرون ناشی از خروج ⁺K از نورون است. شاید قانع‌کننده‌ترین اثبات دخالت ⁺K این باشد که میزان خروج ⁺K از نورون (که با بارگذاری نورون با ⁺K رادیواکتیو اندازه‌گیری می‌شود) با بزرگی جریان رو به بیرون دیرهنگام همبستگی نزدیکی دارد.

FIGURE 3.4 Dependence of the early current on sodium. (A) In the presence of normal external concentrations of Na+, depolarization of a squid axon to 0 mV (top) produces an inward initial current. (B) Removal of external Na+ causes this initial inward current to become outward, an effect that is reversed (C) by restoration of external Na+. (After Hodgkin and Huxley, 1952a.)

شکل ۳.۴ وابستگی جریان اولیه به سدیم. (الف) در حضور غلظت‌های طبیعی خارجی ⁺Na، دپلاریزاسیون آکسون ماهی مرکب تا ۰ میلی‌ولت (بالا) یک جریان اولیه رو به داخل ایجاد می‌کند. (ب) حذف ⁺Na خارجی باعث می‌شود که این جریان اولیه رو به داخل به سمت خارج تبدیل شود، اثری که با بازیابی ⁺Na خارجی معکوس می‌شود (ج). (به نقل از هاجکین و هاکسلی، ۱۹۵۲a.)

Taken together, these experiments show that changing the membrane potential to a level more positive than the resting potential produces two effects: an early influx of Na⁺ into the neuron, followed by a delayed efflux of K⁺. The early influx of Na⁺ produces a transient inward current, whereas the delayed efflux of K⁺ produces a sustained outward current. The differences in the time course and ion selectivity of the two fluxes suggest that two different ion permeability mechanisms are activated by changes in membrane potential. Confirmation that there are indeed two distinct mechanisms has come from pharmacological studies of drugs that specifically affect these two currents (Figure 3.5). Tetrodotoxin, an alkaloid neurotoxin found in certain puffer fish, tropical frogs, and salamanders, blocks the Na⁺ current without affecting the K⁺ current. Conversely, tetraethylammonium ions block K⁺ currents without affecting Na⁺ currents. The differential sensitivity of Na⁺ and K⁺ currents to these drugs provides strong additional evidence that Na⁺and K⁺ flow through independent permeability pathways. As discussed in Chapter 4, it is now known that these pathways are ion channels that are selectively permeable to either Na⁺ or K⁺. In fact, tetrodotoxin, tetraethylammonium, and other drugs that interact with specific types of ion channels have been extraordinarily useful tools in characterizing these channel proteins (see Box 4B).

روی هم رفته، این آزمایش‌ها نشان می‌دهند که تغییر پتانسیل غشا به سطحی مثبت‌تر از پتانسیل استراحت، دو اثر ایجاد می‌کند: هجوم زودهنگام Na+ به نورون و به دنبال آن خروج تأخیری ⁺K. ورود زودهنگام ⁺Na یک جریان گذرای درونی ایجاد می‌کند، در حالی که خروج تأخیری ⁺K یک جریان پایدار بیرونی ایجاد می‌کند. تفاوت در سیر زمانی و گزینش‌پذیری یونی دو جریان نشان می‌دهد که دو مکانیسم نفوذپذیری یونی مختلف با تغییرات در پتانسیل غشا فعال می‌شوند. تأیید وجود دو مکانیسم متمایز، از مطالعات دارویی داروهایی که به طور خاص بر این دو جریان تأثیر می‌گذارند، حاصل شده است (شکل 3.5). تترودوتوکسین، یک نوروتوکسین آلکالوئیدی که در برخی ماهی‌های بادکنکی، قورباغه‌های گرمسیری و سمندرها یافت می‌شود، جریان ⁺Na را بدون تأثیر بر جریان ⁺K مسدود می‌کند. برعکس، یون‌های تترااتیل‌آمونیوم جریان‌های ⁺K را بدون تأثیر بر جریان‌های ⁺Na مسدود می‌کنند. حساسیت متفاوت جریان‌های ⁺Na و ⁺K به این داروها، شواهد قوی دیگری را ارائه می‌دهد که ⁺Na و ⁺K از طریق مسیرهای نفوذپذیری مستقل جریان می‌یابند. همانطور که در فصل ۴ بحث شد، اکنون مشخص شده است که این مسیرها، کانال‌های یونی هستند که به طور انتخابی به ⁺Na یا ⁺K نفوذپذیرند. در واقع، تترودوتوکسین، تترااتیل آمونیوم و سایر داروهایی که با انواع خاصی از کانال‌های یونی تعامل دارند، ابزارهای فوق‌العاده مفیدی در توصیف این پروتئین‌های کانال بوده‌اند (به کادر ۴B مراجعه کنید).

FIGURE 3.5 Pharmacological separation of Na⁺ and K⁺ currents into sodium and potassium components. Panel (1) shows the current that flows when the membrane potential of a squid axon is depolarized to 0 mV in control conditions. (2) Treatment with tetrodotoxin causes the early Na⁺ current to disappear but spares the late K⁺ current. (3) Addition of tetraethylammonium blocks the K⁺ current without affecting the Na⁺ current. (After Moore et al., 1967 and Armstrong and Binstock, 1965.)

شکل ۳.۵ جداسازی دارویی جریان‌های ⁺Na و ⁺K به اجزای سدیم و پتاسیم. پنل (1) جریانی را نشان می‌دهد که هنگام دپلاریزه شدن پتانسیل غشای آکسون یک ماهی مرکب به 0 میلی‌ولت در شرایط کنترل، جریان می‌یابد. (2) درمان با تترودوتوکسین باعث ناپدید شدن جریان اولیه ⁺Na می‌شود اما جریان انتهایی ⁺K را حفظ می‌کند. (3) افزودن تترااتیل‌آمونیوم جریان ⁺K را بدون تأثیر بر جریان ⁺Na مسدود می‌کند. (بعد از مور و همکاران، 1967 و آرمسترانگ و بینستوک، 1965.)

Two Voltage-Dependent Membrane Conductances

The next goal Hodgkin and Huxley set for themselves was to describe Na⁺ and K⁺ permeability changes mathematically. To do this, they assumed that the ion currents are due to a change in membrane conductance, defined as the reciprocal of the membrane resistance. Membrane conductance is thus closely related, although not identical, to membrane permeability. When evaluating ion movements from an electrical standpoint, it is convenient to describe them in terms of ion conductances rather than ion permeabilities. For present purposes, permeability and conductance can be considered synonymous.

دو رسانایی غشایی وابسته به ولتاژ

هدف بعدی هاجکین و هاکسلی برای خود توصیف ریاضی تغییرات نفوذپذیری ⁺Na و ⁺K بود. برای انجام این کار، آنها فرض کردند که جریان‌های یونی به دلیل تغییر در رسانایی غشا هستند که به صورت معکوس مقاومت غشا تعریف می‌شود. بنابراین رسانایی غشا با نفوذپذیری غشا ارتباط نزدیکی دارد، اگرچه یکسان نیست. هنگام ارزیابی حرکات یون‌ها از دیدگاه الکتریکی، توصیف آنها بر اساس رسانایی یون‌ها به جای نفوذپذیری یون‌ها مناسب‌تر است. برای اهداف فعلی، نفوذپذیری و رسانایی را می‌توان مترادف در نظر گرفت.

If membrane conductance (g) obeys Ohm’s Law (which states that voltage is equal to the product of current and resistance), then the ion current that flows during an increase in membrane conductance is given by

اگر رسانایی غشا (g) از قانون اهم (که بیان می‌کند ولتاژ برابر با حاصلضرب جریان در مقاومت است) پیروی کند، جریان یونی که در طول افزایش رسانایی غشا جریان می‌یابد، به صورت زیر است:

where Iion is the ion current, Vm is the membrane potential, and Eion is the equilibrium potential for the ion flowing through the conductance, gion. The difference between Vm and Eion is the electrochemical driving force acting on the ion.

که در آن I _ion جریان یون، V _m پتانسیل غشا و E _ion پتانسیل تعادل برای یون جاری از میان رسانایی، g _ion، است. تفاوت بین V _m و E _ion نیروی محرکه الکتروشیمیایی است که بر یون اعمال می‌شود.

Hodgkin and Huxley used this simple relationship to calculate the dependence of Na⁺ and K⁺ conductances on time and membrane potential. They knew Vm, which was set by their voltage clamp device (Figure 3.6A), and they could determine ENa and EK from the ion concentrations on the two sides of the axonal membrane (see Table 2.1). The currents carried by Na⁺ and K⁺—that is, INa and IK—could be determined separately from recordings of the membrane currents resulting from depolarization (Figure 3.6B) by measuring the difference between currents recorded in the presence and absence of external Na⁺ (as shown in Figure 3.4). From these measurements, Hodgkin and Huxley were able to calculate gNa and gK (Figure 3.6C,D), from which they drew two fundamental conclusions. The first conclusion is that the Na⁺ and K⁺ conductances change over time. For example, both Na⁺ and K⁺ conductances require some time to activate, or turn on. In particular, the K⁺ conductance has a pronounced delay, requiring several milliseconds to reach its maximum (see Figure 3.6D), whereas the Na⁺ conductance reaches its maximum more rapidly (see Figure 3.6C). The more rapid activation of the Na⁺ conductance allows the resulting inward Na⁺ current to precede the delayed outward K⁺ current (see Figure 3.6B). Although the Na⁺ conductance rises rapidly, it quickly declines, even though the membrane potential is kept at a depolarized level. This fact shows that depolarization not only causes the Na⁺ conductance to activate, but also causes it to decrease over time, or inactivate. The K⁺ conductance of the squid axon does not inactivate in this way; thus, while the Na⁺ and K⁺ conductances share the property of time-dependent activation, only the Na⁺ conductance exhibits inactivation. (Inactivating K⁺ conductances have since been discovered in other types of nerve cells; see Chapter 4.) The time courses of the Na⁺ and K⁺ conductances are voltage-dependent, with the speed of both activation and inactivation increasing at more depolarized potentials. This accounts for the more rapid membrane currents measured at more depolarized potentials (see Figure 3.6B).

هاجکین و هاکسلی از این رابطه ساده برای محاسبه وابستگی رسانایی ⁺Na و ⁺K به زمان و پتانسیل غشا استفاده کردند. آنها V _m را که توسط دستگاه گیره ولتاژ آنها تنظیم شده بود، می‌دانستند (شکل 3.6A)، و می‌توانستند E _Na و E _K را از غلظت یون‌ها در دو طرف غشای آکسون تعیین کنند (جدول 2.1 را ببینید). جریان‌های حمل شده توسط ⁺Na و ⁺K – یعنی I _Na و I _K – را می‌توان جداگانه از ثبت جریان‌های غشایی ناشی از دپلاریزاسیون (شکل 3.6B) با اندازه‌گیری تفاوت بین جریان‌های ثبت شده در حضور و عدم حضور ⁺Na خارجی (همانطور که در شکل 3.4 نشان داده شده است) تعیین کرد. از این اندازه‌گیری‌ها، هاجکین و هاکسلی توانستند g _Na و g _K را محاسبه کنند (شکل 3.6C، D)، که از آن دو نتیجه اساسی گرفتند. نتیجه اول این است که رسانایی ⁺Na و ⁺K با گذشت زمان تغییر می‌کنند. به عنوان مثال، هر دو رسانایی ⁺Na و ⁺K برای فعال شدن یا روشن شدن به مقداری زمان نیاز دارند. به طور خاص، رسانایی ⁺K تأخیر قابل توجهی دارد و برای رسیدن به حداکثر خود به چند میلی‌ثانیه نیاز دارد (شکل 3.6D را ببینید)، در حالی که رسانایی ⁺Na سریع‌تر به حداکثر خود می‌رسد (شکل 3.6C را ببینید). فعال‌سازی سریع‌تر رسانایی ⁺Na باعث می‌شود جریان ⁺Na داخلی حاصل، مقدم بر جریان ⁺K خارجی با تأخیر باشد (شکل 3.6B را ببینید). اگرچه رسانایی ⁺Na به سرعت افزایش می‌یابد، اما به سرعت کاهش می‌یابد، حتی با وجود اینکه پتانسیل غشا در سطح دپلاریزه نگه داشته می‌شود. این واقعیت نشان می‌دهد که دپلاریزاسیون نه تنها باعث فعال شدن رسانایی ⁺Na می‌شود، بلکه باعث کاهش آن در طول زمان یا غیرفعال شدن آن نیز می‌شود. رسانایی ⁺K آکسون ماهی مرکب به این شکل غیرفعال نمی‌شود. بنابراین، در حالی که رسانایی‌های ⁺Na و ⁺K خاصیت فعال‌سازی وابسته به زمان را دارند، تنها رسانایی ⁺Na غیرفعال شدن را نشان می‌دهد. (رسانایی‌های ⁺K غیرفعال از آن زمان در انواع دیگر سلول‌های عصبی کشف شده‌اند؛ به فصل 4 مراجعه کنید.) دوره‌های زمانی رسانایی‌های ⁺Na و ⁺K وابسته به ولتاژ هستند، به طوری که سرعت فعال‌سازی و غیرفعال شدن در پتانسیل‌های دپلاریزه‌تر افزایش می‌یابد. این امر دلیل جریان‌های غشایی سریع‌تر اندازه‌گیری شده در پتانسیل‌های دپلاریزه‌تر است (شکل 3.6B را ببینید).

FIGURE 3.6 Membrane conductance changes underlying the action potential are timeand voltagedependent. Depolarizations to various membrane potentials (A) elicit different membrane currents (B). Shown below are the conductances of Na⁺ (C) and K⁺ (D) calculated from these currents. Both peak Na+ conductance and steadystate K⁺ conductance increase as the membrane potential becomes more positive. In addition, the activation of both conductances, as well as the rate of inactivation of the Na⁺ conductance, occurs more rapidly with larger depolarizations. (After Hodgkin and Huxley, 1952b.)

شکل ۳.۶ تغییرات رسانایی غشایی که در پتانسیل عمل نقش دارند، وابسته به زمان و ولتاژ هستند. دپلاریزاسیون‌ها به پتانسیل‌های مختلف غشایی (A) جریان‌های غشایی متفاوتی را ایجاد می‌کنند (B). در زیر رسانایی‌های Na⁺ (C) و K⁺ (D) که از این جریان‌ها محاسبه شده‌اند، نشان داده شده است. با مثبت‌تر شدن پتانسیل غشا، هم رسانایی اوج ⁺Na و هم رسانایی حالت پایدار ⁺K افزایش می‌یابند. علاوه بر این، فعال شدن هر دو رسانایی، و همچنین سرعت غیرفعال شدن رسانایی ⁺Na، با دپلاریزاسیون‌های بزرگتر، سریع‌تر اتفاق می‌افتد. (به نقل از هاجکین و هاکسلی، 1952b.)

The second conclusion derived from Hodgkin and Huxley’s calculations is that both the Na⁺ and K⁺ conductances are voltage-dependent—that is, both conductances increase progressively as the neuron is depolarized. Figure 3.7 illustrates this by plotting the relationship between peak value of the conductances (from Figure 3.6C,D) against the membrane potential. Note the similar voltage dependence for each conductance; both conductances are quite small at negative potentials, maximal at very positive potentials, and exquisitely dependent on membrane voltage at intermediate potentials. The observation that these conductances are sensitive to changes in membrane potential shows that the mechanism underlying the conductances somehow “senses” the voltage across the membrane.

دومین نتیجه‌ای که از محاسبات هاجکین و هاکسلی به دست می‌آید این است که رسانایی‌های ⁺Na و ⁺K هر دو وابسته به ولتاژ هستند – یعنی، هر دو رسانایی با دپلاریزه شدن نورون به تدریج افزایش می‌یابند. شکل 3.7 این موضوع را با رسم رابطه بین مقدار پیک رسانایی‌ها (از شکل 3.6C، D) در برابر پتانسیل غشا نشان می‌دهد. به وابستگی ولتاژ مشابه برای هر رسانایی توجه کنید؛ هر دو رسانایی در پتانسیل‌های منفی بسیار کوچک، در پتانسیل‌های بسیار مثبت حداکثر و در پتانسیل‌های میانی به شدت وابسته به ولتاژ غشا هستند. مشاهده اینکه این رسانایی‌ها به تغییرات پتانسیل غشا حساس هستند، نشان می‌دهد که مکانیسم زیربنایی رسانایی‌ها به نحوی ولتاژ را در سراسر غشا “حس” می‌کند.

FIGURE 3.7  Depolarization increases Na⁺ and K⁺ conductances of the squid giant axon.The peak magnitude of Na⁺ conductance and  steady-state value of K⁺ conductance both increase steeply as the membrane potential is depolarized. (AfterHodgkin and Huxley, 1952b.)

شکل ۳.۷ دپلاریزاسیون، رسانایی ⁺Na و ⁺K آکسون غول‌پیکر ماهی مرکب را افزایش می‌دهد. با دپلاریزاسیون پتانسیل غشا، حداکثر مقدار رسانایی ⁺Na و مقدار حالت پایدار رسانایی ⁺K هر دو به شدت افزایش می‌یابند. (به نقل از هاجکین و هاکسلی، 1952b.)

All told, the voltage clamp experiments carried out by Hodgkin and Huxley showed that the ion currents that flow when the neuronal membrane is depolarized are due to three different time-dependent and voltage-sensitive processes: (1) activation of Na⁺ conductance, (2) activation of K⁺ conductance, and (3) inactivation of Na⁺ conductance.

روی هم رفته، آزمایش‌های ولتاژ کلمپ انجام شده توسط هاجکین و هاکسلی نشان داد که جریان‌های یونی که هنگام دپلاریزه شدن غشای نورونی جریان می‌یابند، ناشی از سه فرآیند مختلف وابسته به زمان و حساس به ولتاژ هستند: (1) فعال شدن رسانایی Na⁺، (2) فعال شدن رسانایی ⁺K و (3) غیرفعال شدن رسانایی ⁺Na.

Reconstruction of the Action Potential

From their experimental measurements, Hodgkin and Huxley were able to construct a detailed mathematical model of the Na⁺ and K⁺ conductance changes. The goal of these modeling efforts was to determine whether the Na⁺ and K⁺ conductances alone are sufficient to produce an action potential. Using this information, they could in fact generate the form and time course of the action potential with remarkable accuracy (Figure 3.8A). The Hodgkin–Huxley model could simulate many other features of action potential behavior in the squid axon. For example, it was well known that, following an action potential, the axon becomes refractory to further excitation for a brief period of time, termed the refractory period (Figure 3.8B). The model was capable of closely mimicking such behavior (Figure 3.8C).

بازسازی پتانسیل عمل

هاجکین و هاکسلی از اندازه‌گیری‌های تجربی خود توانستند یک مدل ریاضی دقیق از تغییرات رسانایی ⁺Na و ⁺K بسازند. هدف از این تلاش‌های مدل‌سازی، تعیین این بود که آیا رسانایی ⁺Na و ⁺K به تنهایی برای تولید یک پتانسیل عمل کافی هستند یا خیر. با استفاده از این اطلاعات، آنها در واقع توانستند شکل و سیر زمانی پتانسیل عمل را با دقت قابل توجهی تولید کنند (شکل 3.8A). مدل هاجکین-هاکسلی می‌توانست بسیاری از ویژگی‌های دیگر رفتار پتانسیل عمل را در آکسون ماهی مرکب شبیه‌سازی کند. به عنوان مثال، به خوبی شناخته شده بود که پس از یک پتانسیل عمل، آکسون برای مدت کوتاهی به تحریک بیشتر مقاوم می‌شود که دوره مقاومت نامیده می‌شود (شکل 3.8B). این مدل قادر به تقلید دقیق چنین رفتاری بود (شکل 3.8C).

FIGURE 3.8 Mathematical simulation of the action potential. (A) Simulation of an action potential (black curve) together with the underlying changes in Na+ (red curve) and K+ (gold curve) conductance. The size and time course of the action potential were calculated using only the properties of gNa and gK measured in voltage clamp experiments. The refractory period can be observed by stimulating an axon with two current pulses that are separated by variable intervals. Whereas the first stimulus reliably evokes an action potential, during the refractory period the second stimulus will generate only a small action potential or no response at all. The mathematical model accurately predicts responses of the axon during the refractory (After Hodgkin and Huxley, 1952d.)

شکل ۳.۸ شبیه‌سازی ریاضی پتانسیل عمل. (الف) شبیه‌سازی پتانسیل عمل (منحنی سیاه) همراه با تغییرات اساسی در رسانایی ⁺Na (منحنی قرمز) و ⁺K (منحنی طلایی). اندازه و سیر زمانی پتانسیل عمل تنها با استفاده از خواص g _Na و g _K اندازه‌گیری شده در آزمایش‌های ولتاژ کلمپ محاسبه شد. دوره تحریک‌ناپذیری را می‌توان با تحریک یک آکسون با دو پالس جریان که با فواصل متغیر از هم جدا شده‌اند، مشاهده کرد. در حالی که محرک اول به طور قابل اعتمادی یک پتانسیل عمل را ایجاد می‌کند، در طول دوره تحریک‌ناپذیری، محرک دوم فقط یک پتانسیل عمل کوچک ایجاد می‌کند یا اصلاً هیچ پاسخی ایجاد نمی‌کند. مدل ریاضی به طور دقیق پاسخ‌های آکسون را در طول دوره تحریک‌ناپذیری پیش‌بینی می‌کند (به نقل از هاجکین و هاکسلی، 1952d.)

The Hodgkin–Huxley model also provided many insights into how action potentials are generated. Figure 3.8A compares the time courses of a reconstructed action potential and the underlying Na⁺ and K⁺ conductances. The coincidence of the initial increase in Na⁺ conductance with the rapid rising phase of the action potential demonstrates that a selective increase in Na⁺ conductance is responsible for action potential initiation. The increase in Na⁺ conductance causes Na⁺ to enter the neuron, thus depolarizing the membrane potential, which approaches ENa. The rate of depolarization subsequently falls both because the electrochemical driving force on Na⁺ decreases and because the Na⁺ conductance inactivates. At the same time, depolarization slowly activates the voltage-dependent K⁺ conductance, causing K⁺ to leave the cell and repolarizing the membrane potential toward EK. Because the K⁺ conductance becomes temporarily higher than it is in the resting condition, the membrane potential briefly becomes more negative than the normal resting potential, t yield the undershoot. The hyperpolarization of the membrane potential causes the voltage-dependent K⁺ conductance (and any Na⁺ conductance not inactivated) to turn off, allowing the membrane potential to return to its resting level. The relatively slow time course of turning off the K⁺ conductance, as well as the persistence of Na⁺ conductance inactivation, is responsible for the refractory period (see also Figure 3.10).

مدل هاچکین-هاکسلی همچنین بینش‌های زیادی در مورد چگونگی تولید پتانسیل‌های عمل ارائه داد. شکل 3.8A دوره‌های زمانی یک پتانسیل عمل بازسازی‌شده و رسانایی‌های ⁺Na و ⁺K زمینه‌ای را مقایسه می‌کند. همزمانی افزایش اولیه رسانایی ⁺Na با فاز صعودی سریع پتانسیل عمل نشان می‌دهد که افزایش انتخابی در رسانایی ⁺Na مسئول شروع پتانسیل عمل است. افزایش رسانایی ⁺Na باعث ورود ⁺Na به نورون می‌شود و بنابراین پتانسیل غشا را دپلاریزه می‌کند که به E _Na نزدیک می‌شود. سرعت دپلاریزاسیون متعاقباً کاهش می‌یابد، هم به این دلیل که نیروی محرک الکتروشیمیایی روی ⁺Na کاهش می‌یابد و هم به این دلیل که رسانایی ⁺Na غیرفعال می‌شود. در همان زمان، دپلاریزاسیون به آرامی رسانایی ⁺K وابسته به ولتاژ را فعال می‌کند و باعث می‌شود ⁺K سلول را ترک کند و پتانسیل غشا را به سمت E _K دوباره قطبی می‌کند. از آنجا که رسانایی ⁺K به طور موقت بالاتر از حالت استراحت می‌شود، پتانسیل غشا برای مدت کوتاهی منفی‌تر از پتانسیل استراحت طبیعی می‌شود و منجر به جهش زیرین می‌شود. هایپرپلاریزاسیون پتانسیل غشا باعث می‌شود که رسانایی ⁺K وابسته به ولتاژ (و هرگونه رسانایی ⁺Na غیرفعال نشده) خاموش شود و به پتانسیل غشا اجازه دهد تا به سطح استراحت خود بازگردد. سیر زمانی نسبتاً آهسته خاموش شدن رسانایی ⁺K و همچنین تداوم غیرفعال شدن رسانایی ⁺Na، مسئول دوره مقاومت است (همچنین به شکل 3.10 مراجعه کنید).

This mechanism of action potential generation represents a positive feedback loop: Activating the voltage-dependent Na⁺ conductance increases Na⁺ entry into the neuron, which makes the membrane potential depolarize, which leads to the activation of still more Na⁺ conductance, more Na⁺ entry, and still further depolarization (Figure 3.9). Positive feedback continues unabated until Na⁺ conductance inactivation and K⁺ conductance activation restore the membrane potential to the resting level. Because this positive feedback loop, once initiated, is sustained by the intrinsic properties of the neuron—namely, the voltage dependence of the ion conductances—the action potential is self-supporting, or regenerative. This regenerative quality explains why action potentials exhibit all-or-none behavior (see Figure 2.2) and why they have a threshold. The delayed activation of the K⁺ conductance represents a negative feedback loop that eventually restores the membrane to its resting state.

این مکانیسم تولید پتانسیل عمل، یک حلقه بازخورد مثبت را نشان می‌دهد: فعال کردن رسانایی وابسته به ولتاژ ⁺Na، ورود ⁺Na به نورون را افزایش می‌دهد که باعث دپلاریزه شدن پتانسیل غشا می‌شود و در نهایت منجر به فعال شدن رسانایی بیشتر ⁺Na، ورود بیشتر ⁺Na و دپلاریزاسیون بیشتر می‌شود (شکل 3.9). بازخورد مثبت بدون وقفه ادامه می‌یابد تا زمانی که غیرفعال شدن رسانایی ⁺Na و فعال شدن رسانایی ⁺K، پتانسیل غشا را به سطح استراحت بازگردانند. از آنجا که این حلقه بازخورد مثبت، پس از شروع، توسط خواص ذاتی نورون – یعنی وابستگی رسانایی‌های یونی به ولتاژ – حفظ می‌شود، پتانسیل عمل خود-حمایت‌کننده یا احیاکننده است. این کیفیت احیاکننده توضیح می‌دهد که چرا پتانسیل‌های عمل رفتار همه یا هیچ را نشان می‌دهند (شکل 2.2 را ببینید) و چرا آستانه دارند. فعال‌سازی تأخیری رسانایی ⁺K نشان دهنده یک حلقه بازخورد منفی است که در نهایت غشا را به حالت استراحت خود باز می‌گرداند.

Hodgkin and Huxley’s reconstruction of the action potential and all its features shows that the properties of the voltage-sensitive Na⁺ and K⁺ conductances, together with the electrochemical driving forces created by ion transporters, are sufficient to explain action potentials. Their use of both empirical and theoretical methods brought an unprecedented level of rigor to a long-standing problem, setting a standard of proof that is achieved only rarely in biological research.

بازسازی هاجکین و هاکسلی از پتانسیل عمل و تمام ویژگی‌های آن نشان می‌دهد که خواص رسانایی‌های حساس به ولتاژ ⁺Na و ⁺K، همراه با نیروهای محرک الکتروشیمیایی ایجاد شده توسط ناقل‌های یونی، برای توضیح پتانسیل‌های عمل کافی هستند. استفاده آنها از هر دو روش تجربی و نظری، سطح بی‌سابقه‌ای از دقت را به یک مسئله دیرینه وارد کرد و استانداردی برای اثبات تعیین کرد که به ندرت در تحقیقات بیولوژیکی به دست می‌آید.

FIGURE 3.9 Feedback cycles are responsible for membrane potential changes during an action potential. Membrane depolarization rapidly activates a positive feedback cycle fueled by the voltage-dependent activation of Na+ conductance. This phenomenon is followed by the slower activation of a negative feedback loop as depolarization activates a K+ conductance, which helps to repolarize the membrane potential and terminate the action potential.

شکل ۳.۹ چرخه‌های بازخورد مسئول تغییرات پتانسیل غشا در طول یک پتانسیل عمل هستند. دپلاریزاسیون غشا به سرعت یک چرخه بازخورد مثبت را فعال می‌کند که توسط فعال‌سازی وابسته به ولتاژ رسانایی ⁺Na تقویت می‌شود. این پدیده با فعال‌سازی آهسته‌تر یک حلقه بازخورد منفی دنبال می‌شود، زیرا دپلاریزاسیون، رسانایی ⁺K را فعال می‌کند که به قطبش مجدد پتانسیل غشا و خاتمه پتانسیل عمل کمک می‌کند.

Long-Distance Signaling by Means of Action Potentials

The voltage-dependent mechanisms of action potential generation also explain the long-distance transmission of these electrical signals. Recall from Chapter 2 that neurons are relatively poor passive conductors of electricity, at least compared with a wire. Nonetheless, action potentials can traverse great distances along axons despite these poor passive properties. How does this occur? The mechanism of action potential propagation is easy to grasp once one understands how action potentials are generated and how current passively flows along an axon. A depolarizing stimulus—a synaptic potential or a receptor potential in an intact neuron, or an injected current pulse in an experiment such as the one depicted in Figure 3.10—locally depolarizes the axon, thus opening the voltage-sensitive Na⁺ channels in that region. The opening of Na⁺ channels causes inward movement of Na⁺, and the resultant depolarization of the membrane potential generates an action potential at that site. Some of the local current generated by the action potential will then flow passively down the axon, in the same way that subthreshold currents spread along an axon (see Figure 2.3). Note that this passive current flow does not require the movement of Na⁺ along the axon but instead occurs by a shuttling of charge, somewhat similar to what happens when wires passively conduct electricity by transmission of electron charge. This passive current flow depolarizes the membrane potential in the adjacent region of the axon, thus opening the Na⁺ channels in the neighboring membrane. The local depolarization triggers an action potential in this region, which then spreads again in a continuing cycle until the action potential reaches the end of the axon. Thus, action potential propagation requires the coordinated action of two forms of current flow: the passive flow of current as well as active currents flowing through voltage-dependent ion channels. The regenerative properties of Na⁺ channel opening allow action potentials to propagate in an all-ornone fashion by acting as a booster at each point along the axon, thus ensuring the long-distance transmission of electrical signals.

سیگنال‌دهی از راه دور به وسیله پتانسیل‌های عمل

مکانیسم‌های وابسته به ولتاژ تولید پتانسیل عمل، انتقال از راه دور این سیگنال‌های الکتریکی را نیز توضیح می‌دهند. از فصل 2 به یاد بیاورید که نورون‌ها، حداقل در مقایسه با سیم، رساناهای غیرفعال نسبتاً ضعیفی برای الکتریسیته هستند. با این وجود، پتانسیل‌های عمل می‌توانند با وجود این خواص غیرفعال ضعیف، فواصل زیادی را در امتداد آکسون‌ها طی کنند. چگونه این اتفاق می‌افتد؟ مکانیسم انتشار پتانسیل عمل، زمانی که فرد نحوه تولید پتانسیل‌های عمل و چگونگی جریان غیرفعال جریان در امتداد آکسون را درک کند، به راحتی قابل درک است. یک محرک دپلاریزه کننده – یک پتانسیل سیناپسی یا یک پتانسیل گیرنده در یک نورون سالم، یا یک پالس جریان تزریق شده در آزمایشی مانند آنچه در شکل 3.10 نشان داده شده است – به صورت موضعی آکسون را دپلاریزه می‌کند و در نتیجه کانال‌های ⁺Na حساس به ولتاژ را در آن ناحیه باز می‌کند. باز شدن کانال‌های ⁺Na باعث حرکت رو به داخل ⁺Na می‌شود و دپلاریزاسیون حاصل از پتانسیل غشاء، یک پتانسیل عمل در آن محل ایجاد می‌کند. مقداری از جریان موضعی تولید شده توسط پتانسیل عمل، به صورت غیرفعال در امتداد آکسون جریان می‌یابد، همانطور که جریان‌های زیرآستانه‌ای در امتداد آکسون پخش می‌شوند (شکل 2.3 را ببینید). توجه داشته باشید که این جریان غیرفعال نیازی به حرکت ⁺Na در امتداد آکسون ندارد، بلکه در عوض با جابجایی بار رخ می‌دهد، تا حدودی شبیه به آنچه که هنگام انتقال غیرفعال بار الکترونی توسط سیم‌ها اتفاق می‌افتد. این جریان غیرفعال، پتانسیل غشاء را در ناحیه مجاور آکسون دپلاریزه می‌کند و در نتیجه کانال‌های ⁺Na را در غشای مجاور باز می‌کند. دپلاریزاسیون موضعی باعث ایجاد یک پتانسیل عمل در این ناحیه می‌شود که سپس دوباره در یک چرخه مداوم پخش می‌شود تا زمانی که پتانسیل عمل به انتهای آکسون برسد. بنابراین، انتشار پتانسیل عمل نیاز به عملکرد هماهنگ دو شکل از جریان دارد: جریان غیرفعال جریان و همچنین جریان‌های فعال که از طریق کانال‌های یونی وابسته به ولتاژ جریان می‌یابند. خواص احیاکننده‌ی باز شدن کانال ⁺Na به پتانسیل‌های عمل اجازه می‌دهد تا به صورت کاملاً مستقل و با عمل به عنوان تقویت‌کننده در هر نقطه در امتداد آکسون، منتشر شوند و در نتیجه انتقال سیگنال‌های الکتریکی به فواصل دور را تضمین کنند.

Recall that the axons are refractory following an action potential: generation of an action potential briefly makes it harder for the axon to produce subsequent action potentials (see Figure 3.8B). Refractoriness limits the number of action potentials that a neuron can produce per unit of time, with different types of neurons having different maximum rates of action potential firing due to different types and densities of ion channels. As described in a previous section, the refractory period arises because the depolarization that produces Na⁺ channel opening also causes delayed activation of K⁺ channels and Na⁺ channel inactivation, which temporarily makes it more difficult for the axon to produce another action potential. This refractoriness also has important implications for action potential conduction along axons. As the action potential sweeps along the length of an axon, in its wake the action potential leaves the Na⁺ channels inactivated and K⁺ channels activated for a brief time. The resulting refractoriness of the membrane region where an action potential has been generated prevents subsequent re-excitation of this membrane as action potentials are generated in adjacent regions of the axon (see Figure 3.10). This important feature prevents action potentials from propagating backward, toward their point of initiation, as they travel along an axon. Thus, refractory behavior ensures polarized propagation of action potentials from their usual point of initiation near the neuronal cell body, toward the synaptic terminals at the distal end of the axon.

به یاد داشته باشید که آکسون‌ها پس از یک پتانسیل عمل، مقاوم می‌شوند: تولید یک پتانسیل عمل برای مدت کوتاهی، تولید پتانسیل‌های عمل بعدی را برای آکسون دشوارتر می‌کند (شکل 3.8B را ببینید). مقاومت، تعداد پتانسیل‌های عملی را که یک نورون می‌تواند در واحد زمان تولید کند، محدود می‌کند و انواع مختلف نورون‌ها به دلیل انواع و تراکم‌های مختلف کانال‌های یونی، حداکثر سرعت شلیک پتانسیل عمل متفاوتی دارند. همانطور که در بخش قبلی توضیح داده شد، دوره مقاومت به این دلیل ایجاد می‌شود که دپلاریزاسیونی که باعث باز شدن کانال ⁺Na می‌شود، باعث فعال شدن تأخیری کانال‌های ⁺K و غیرفعال شدن کانال ⁺Na نیز می‌شود که به طور موقت تولید پتانسیل عمل دیگری را برای آکسون دشوارتر می‌کند. این مقاومت همچنین پیامدهای مهمی برای هدایت پتانسیل عمل در امتداد آکسون‌ها دارد. همانطور که پتانسیل عمل در طول آکسون حرکت می‌کند، در پی آن، پتانسیل عمل برای مدت کوتاهی کانال‌های ⁺Na را غیرفعال و کانال‌های ⁺K را فعال می‌کند. مقاومت ناشی از ناحیه غشایی که پتانسیل عمل در آن ایجاد شده است، از تحریک مجدد بعدی این غشا هنگام تولید پتانسیل‌های عمل در مناطق مجاور آکسون جلوگیری می‌کند (شکل 3.10 را ببینید). این ویژگی مهم مانع از انتشار پتانسیل‌های عمل به سمت عقب، به سمت نقطه شروع آنها، هنگام حرکت در امتداد آکسون می‌شود. بنابراین، رفتار مقاومت، انتشار قطبی پتانسیل‌های عمل را از نقطه شروع معمول آنها در نزدیکی جسم سلولی نورونی، به سمت پایانه‌های سیناپسی در انتهای دیستال آکسون تضمین می‌کند.

FIGURE 3.10 Action potential conduction requires both active and passive current flow. Depolarization opens Na+ channels locally and produces an action potential at point A of the axon (time t = 1). The resulting inward current flows passively along the axon, depolarizing the adjacent region (point B) of the axon. At a later time (t = 2), the depolarization of the adjacent membrane has opened Na+ channels at point B, resulting in the initiation of the action potential at this site and additional inward current that again spreads passively to an adjacent point (point C) farther along the axon. At a still later time (t = 3), the action potential has propagated even farther. This cycle continues along the full length of the axon. Note that as the action potential spreads, the membrane potential repolarizes due to K+ channel opening and Na+ channel inactivation, leaving a “wake” of refractoriness behind the action potential that prevents its backward propagation. The lower panel shows the time course of membrane potential changes at the points indicated.

شکل ۳.۱۰ هدایت پتانسیل عمل نیازمند جریان فعال و غیرفعال است. دپلاریزاسیون، کانال‌های ⁺Na را به صورت موضعی باز می‌کند و یک پتانسیل عمل در نقطه A آکسون تولید می‌کند (زمان t = ۱). جریان داخلی حاصل به صورت غیرفعال در امتداد آکسون جریان می‌یابد و ناحیه مجاور (نقطه B) آکسون را دپلاریزه می‌کند. در زمان بعدی (t = ۲)، دپلاریزاسیون غشای مجاور، کانال‌های ⁺Na را در نقطه B باز کرده است که منجر به شروع پتانسیل عمل در این محل و جریان داخلی اضافی شده است که دوباره به صورت غیرفعال به نقطه مجاور (نقطه C) دورتر در امتداد آکسون گسترش می‌یابد. در زمان بعدی (t = ۳)، پتانسیل عمل حتی بیشتر منتشر شده است. این چرخه در طول کامل آکسون ادامه می‌یابد. توجه داشته باشید که با گسترش پتانسیل عمل، پتانسیل غشاء به دلیل باز شدن کانال ⁺K و غیرفعال شدن کانال ⁺Na، دوباره قطبی می‌شود و یک “ردپای” مقاومت در پشت پتانسیل عمل باقی می‌گذارد که از انتشار معکوس آن جلوگیری می‌کند. پنل پایینی، سیر زمانی تغییرات پتانسیل غشا را در نقاط مشخص شده نشان می‌دهد.

Increased Conduction Velocity as a Result of Myelination

As a consequence of their mechanism of propagation, action potentials occur later and later at greater distances along the axon (see Figure 3.10, bottom left). Thus, the action potential has a measurable rate of propagation, called the conduction velocity. Conduction velocity is an important parameter because it defines the time required for electrical information to travel from one end of a neuron to another, and thus limits the flow of information within neural circuits. It is not surprising, then, that various mechanisms have evolved to optimize the propagation of action potentials along axons. Because action potential conduction requires passive and active flow of current, the rate of action potential propagation is determined by both of these phenomena. One way of improving passive current flow is to increase the diameter of an axon, which effectively decreases the internal resistance to passive current flow. For example, comparison of the conduction velocities of the axons of Aa and Ag types of human motor neurons (Table 3.1) illustrates this point: increasing axon diameter only 2.5-fold yields a 20-fold increase in conduction velocity. The even larger giant axons of invertebrates such as squid presumably evolved because they increase action potential conduction velocity and thereby enhance the ability of these creatures to rapidly escape from predators.

افزایش سرعت هدایت در نتیجه میلین‌سازی

در نتیجه مکانیسم انتشار، پتانسیل‌های عمل دیرتر و دیرتر در فواصل بیشتر در امتداد آکسون رخ می‌دهند (شکل 3.10، پایین سمت چپ را ببینید). بنابراین، پتانسیل عمل دارای سرعت انتشار قابل اندازه‌گیری است که سرعت هدایت نامیده می‌شود. سرعت هدایت پارامتر مهمی است زیرا زمان لازم برای انتقال اطلاعات الکتریکی از یک انتهای نورون به انتهای دیگر را تعریف می‌کند و بنابراین جریان اطلاعات را در مدارهای عصبی محدود می‌کند. بنابراین جای تعجب نیست که مکانیسم‌های مختلفی برای بهینه‌سازی انتشار پتانسیل‌های عمل در امتداد آکسون‌ها تکامل یافته‌اند. از آنجا که هدایت پتانسیل عمل نیاز به جریان غیرفعال و فعال جریان دارد، سرعت انتشار پتانسیل عمل توسط هر دوی این پدیده‌ها تعیین می‌شود. یکی از راه‌های بهبود جریان غیرفعال، افزایش قطر آکسون است که به طور مؤثر مقاومت داخلی در برابر جریان غیرفعال را کاهش می‌دهد. برای مثال، مقایسه سرعت هدایت آکسون‌های نورون‌های حرکتی انسان از نوع Aa و Aϒ (جدول 3.1) این نکته را نشان می‌دهد: افزایش قطر آکسون تنها 2.5 برابر، افزایش 20 برابری در سرعت هدایت را به همراه دارد. آکسون‌های غول‌پیکر حتی بزرگتر بی‌مهرگانی مانند ماهی مرکب احتمالاً به این دلیل تکامل یافته‌اند که سرعت هدایت پتانسیل عمل را افزایش می‌دهند و در نتیجه توانایی این موجودات را برای فرار سریع از شکارچیان افزایش می‌دهند.

TABLE 3.1 Axon Conduction Velocities

جدول ۳.۱ سرعت‌های هدایت آکسون

A more efficient strategy to improve the passive flow of electrical current is to insulate the axonal membrane, reducing the ability of current to leak out of the axon and thus increasing the distance along the axon that a given local current can flow passively. This strategy is evident in the myelination of axons, a process by which oligodendrocytes in the central nervous system (and Schwann cells in the peripheral nervous system) wrap the axon in myelin, which consists of multiple layers of closely opposed glial membranes (Figure 3.11A; see also Chapter 1). By acting as an electrical insulator, myelin greatly speeds up action potential conduction (Figure 3.12). For example, Table 3.1 shows that whereas unmyelinated axon conduction velocities range from about 0.5 to 2 m/s, myelinated axons can conduct action potentials at velocities of up to 120 m/s (faster than a Formula 1 racing car). The major cause of this marked increase in speed is that the time-consuming process of action potential generation occurs only at specific points along the axon, called nodes of Ranvier, where there is a gap in the myelin wrapping (see Figure 1.3G). If the entire surface of an axon were insulated, there would be no place for current to flow out of the axon, and action potentials could not be generated. The voltage-gated Na⁺ channels required for action potentials are found only at these nodes of Ranvier (Figure 3.11B). An action potential generated at one node of Ranvier elicits current that flows passively within the axon until the next few nodes are reached. This local current flow then generates an action potential in the neighboring nodes, and the cycle is repeated along the length of the axon. Because current flows across the neuronal membrane only at the nodes (Figure 3.11C), this type of propagation is called saltatory, meaning that the action potential jumps from node to node. Loss of myelin—as occurs in diseases such as multiple sclerosis, Guillain–Barré syndrome, and others—causes a variety of serious neurological problems because of the resulting defects in axonal conduction of action potentials (Clinical Applications).

یک استراتژی کارآمدتر برای بهبود جریان غیرفعال جریان الکتریکی، عایق‌بندی غشای آکسونی است که توانایی نشت جریان از آکسون را کاهش می‌دهد و در نتیجه مسافتی را در امتداد آکسون افزایش می‌دهد که یک جریان موضعی معین می‌تواند به صورت غیرفعال جریان یابد. این استراتژی در میلین‌دار شدن آکسون‌ها مشهود است، فرآیندی که طی آن الیگودندروسیت‌ها در سیستم عصبی مرکزی (و سلول‌های شوان در سیستم عصبی محیطی) آکسون را در میلین می‌پیچند، که از چندین لایه غشای گلیال نزدیک به هم تشکیل شده است (شکل 3.11A؛ همچنین به فصل 1 مراجعه کنید). میلین با عمل به عنوان یک عایق الکتریکی، هدایت پتانسیل عمل را به میزان زیادی سرعت می‌بخشد (شکل 3.12). به عنوان مثال، جدول 3.1 نشان می‌دهد که در حالی که سرعت هدایت آکسون بدون میلین از حدود 0.5 تا 2 متر بر ثانیه متغیر است، آکسون‌های میلین‌دار می‌توانند پتانسیل‌های عمل را با سرعت‌هایی تا 120 متر بر ثانیه (سریعتر از یک ماشین مسابقه فرمول 1) هدایت کنند. علت اصلی این افزایش قابل توجه سرعت این است که فرآیند زمان‌بر تولید پتانسیل عمل فقط در نقاط خاصی در امتداد آکسون، به نام گره‌های رانویه، رخ می‌دهد که در آنها شکافی در پوشش میلین وجود دارد (شکل 1.3G را ببینید). اگر تمام سطح یک آکسون عایق‌بندی شده باشد، جایی برای جریان یافتن جریان از آکسون وجود نخواهد داشت و پتانسیل‌های عمل نمی‌توانند تولید شوند. کانال‌های ⁺Na وابسته به ولتاژ مورد نیاز برای پتانسیل‌های عمل فقط در این گره‌های رانویه یافت می‌شوند (شکل 3.11B). پتانسیل عملی که در یک گره رانویه تولید می‌شود، جریانی را ایجاد می‌کند که به صورت غیرفعال در داخل آکسون جریان می‌یابد تا به چند گره بعدی برسد. سپس این جریان جریان محلی، یک پتانسیل عمل در گره‌های همسایه ایجاد می‌کند و این چرخه در طول آکسون تکرار می‌شود. از آنجا که جریان فقط در گره‌ها از غشای نورونی عبور می‌کند (شکل 3.11C)، این نوع انتشار جهشی نامیده می‌شود، به این معنی که پتانسیل عمل از گره‌ای به گره دیگر می‌پرد. از بین رفتن میلین – همانطور که در بیماری‌هایی مانند مولتیپل اسکلروزیس، سندرم گیلن باره و سایر موارد رخ می‌دهد – به دلیل نقص‌های ناشی از هدایت آکسونی پتانسیل‌های عمل، باعث ایجاد انواع مشکلات عصبی جدی می‌شود (کاربردهای بالینی).

FIGURE 3.11 Saltatory action potential conduction along a myelinated axon. (A) Diagram of a myelinated axon. (B) Localization of voltage-gated Na+ channels (red) at a node of Ranvier in a myelinated axon of the optic nerve. Green indicates the protein Caspr, which is located adjacent to the node of Ranvier. (C) Local current in response to action potential initiation at a particular site flows locally, as described in Figure 3.10. However, the presence of myelin prevents the local current from leaking across the internodal membrane; it therefore flows farther along the axon than it would in the absence of myelin, reaching several adjacent nodes (for clarity, only one node is shown). Moreover, voltage-gated Na+ channels are present only at the nodes of Ranvier (voltage-gated K+ channels are present at the nodes of some axons, but not others). This arrangement means that the generation of active, voltage-gated Na+ currents need occur only at these unmyelinated regions. Bottom panel: The more rapid conduction of action potentials is illustrated by the more rapid timing of action potentials at the points indicated. (B from Chen et al., 2004.)

شکل ۳.۱۱ هدایت پتانسیل عمل جهشی در امتداد یک آکسون میلین‌دار. (الف) نمودار یک آکسون میلین‌دار. (ب) محلی‌سازی کانال‌های ⁺Na وابسته به ولتاژ (قرمز) در گره رانویه در آکسون میلین‌دار عصب بینایی. رنگ سبز نشان دهنده پروتئین Caspr است که در مجاورت گره رانویه قرار دارد. (ج) جریان محلی در پاسخ به شروع پتانسیل عمل در یک محل خاص، همانطور که در شکل 3.10 توضیح داده شده است، به صورت محلی جریان می‌یابد. با این حال، وجود میلین مانع از نشت جریان محلی از طریق غشای بین گره‌ای می‌شود. بنابراین، جریان در امتداد آکسون نسبت به حالت عدم وجود میلین، بیشتر جریان می‌یابد و به چندین گره مجاور می‌رسد (برای وضوح، فقط یک گره نشان داده شده است). علاوه بر این، کانال‌های ⁺Na وابسته به ولتاژ فقط در گره‌های رانویه وجود دارند (کانال‌های ⁺K وابسته به ولتاژ در گره‌های برخی از آکسون‌ها وجود دارند، اما نه در برخی دیگر). این چیدمان به این معنی است که تولید جریان‌های فعال و وابسته به ولتاژ ⁺Na فقط باید در این نواحی بدون میلین رخ دهد. پنل پایین: هدایت سریع‌تر پتانسیل‌های عمل با زمان‌بندی سریع‌تر پتانسیل‌های عمل در نقاط نشان داده شده نشان داده شده است. (B از Chen و همکاران، ۲۰۰۴.)

FIGURE 3.12 Myelin increases action potential conduction speed. The diagram compares the speed of action potential conduction in unmyelinated (upper panel in each pair) and myelinated (lower panels) axons. Passive conduction of current is shown by arrows.

شکل ۳.۱۲ میلین سرعت هدایت پتانسیل عمل را افزایش می‌دهد. نمودار، سرعت هدایت پتانسیل عمل را در آکسون‌های بدون میلین (پانل بالایی در هر جفت) و میلین‌دار (پانل‌های پایینی) مقایسه می‌کند. هدایت غیرفعال جریان با فلش نشان داده شده است.

Summary

The action potential and all its complex properties can be explained by timeand voltage-dependent changes in the Na⁺ and K⁺ permeabilities of neuronal membranes. This conclusion derives primarily from evidence obtained by a device called the voltage clamp. The voltage clamp technique is an electronic feedback method that allows control of neuronal membrane potential and, simultaneously, direct measurement of the voltage-dependent fluxes of Na⁺ and K⁺ that produce the action potential. Voltage clamp experiments show that a transient rise in Na⁺ conductance activates rapidly and then inactivates during a sustained depolarization of the membrane potential. Such experiments also demonstrate a rise in K⁺ conductance that activates in a delayed fashion and, in contrast to the Na⁺ conductance, does not inactivate. Mathematical modeling of the properties of these conductances indicates that they, and they alone, are responsible for the production of all-or-none action potentials in the squid axon. Action potentials propagate along the nerve cell axons, initiated by the voltage gradient between the active and inactive regions of the axon by virtue of the local current flow. In this way, action potentials compensate for the relatively poor passive electrical properties of nerve cells and enable neural signaling over long distances. The molecular underpinnings of these signaling mechanisms will be revealed in the next chapter, which describes the properties of ion channels and transporters.

خلاصه

پتانسیل عمل و تمام خواص پیچیده آن را می‌توان با تغییرات وابسته به زمان و ولتاژ در نفوذپذیری ⁺Na و ⁺K غشاهای عصبی توضیح داد. این نتیجه‌گیری در درجه اول از شواهد به‌دست‌آمده توسط دستگاهی به نام گیره ولتاژ ناشی می‌شود. تکنیک گیره ولتاژ یک روش بازخورد الکترونیکی است که امکان کنترل پتانسیل غشای عصبی و همزمان اندازه‌گیری مستقیم شارهای وابسته به ولتاژ ⁺Na و ⁺K که پتانسیل عمل را تولید می‌کنند، فراهم می‌کند. آزمایش‌های گیره ولتاژ نشان می‌دهد که افزایش گذرا در رسانایی ⁺Na به سرعت فعال می‌شود و سپس در طول دپلاریزاسیون پایدار پتانسیل غشا غیرفعال می‌شود. چنین آزمایش‌هایی همچنین افزایش رسانایی ⁺K را نشان می‌دهند که به صورت تأخیری فعال می‌شود و برخلاف رسانایی ⁺Na، غیرفعال نمی‌شود. مدل‌سازی ریاضی خواص این رسانایی‌ها نشان می‌دهد که آنها، و به تنهایی، مسئول تولید پتانسیل‌های عمل همه یا هیچ در آکسون ماهی مرکب هستند. پتانسیل‌های عمل در امتداد آکسون‌های سلول عصبی منتشر می‌شوند که توسط گرادیان ولتاژ بین نواحی فعال و غیرفعال آکسون به دلیل جریان جریان محلی آغاز می‌شوند. به این ترتیب، پتانسیل‌های عمل، خواص الکتریکی غیرفعال نسبتاً ضعیف سلول‌های عصبی را جبران می‌کنند و سیگنال‌دهی عصبی را در فواصل طولانی امکان‌پذیر می‌سازند. مبانی مولکولی این مکانیسم‌های سیگنال‌دهی در فصل بعدی که خواص کانال‌ها و ناقل‌های یونی را شرح می‌دهد، آشکار خواهد شد.

CLINICAL  APPLICATIONS

Multiple Sclerosis

Multiple sclerosis (MS) is a disease of the central nervous system characterized by a variety of clin-ical problems that arise from demyelination and inflammation of axonal pathways. The disorder commonly appears in patients between the ages of 20 and 40, with an abrupt onset of neurological deficits that persist for days or weeks and then subside. The clinical course ranges from patients with no persistent neurological loss, some of whom experience only occasional later symptoms, to others who gradually deteriorate as a result of extensive and relentless progression of the disease into the central nervous system.

کاربردهای بالینی

اسکلروز چندگانه

مولتیپل اسکلروزیس (MS) یک بیماری سیستم عصبی مرکزی است که با انواع مشکلات بالینی ناشی از دمیلینه شدن و التهاب مسیرهای آکسونی مشخص می‌شود. این اختلال معمولاً در بیماران بین 20 تا 40 سال ظاهر می‌شود و با شروع ناگهانی نقص‌های عصبی که برای روزها یا هفته‌ها ادامه دارد و سپس فروکش می‌کند، همراه است. سیر بالینی از بیمارانی که هیچ ضایعه عصبی مداومی ندارند، که برخی از آنها فقط گاهی اوقات علائم بعدی را تجربه می‌کنند، تا بیمارانی که به تدریج در نتیجه پیشرفت گسترده و بی‌وقفه بیماری به سیستم عصبی مرکزی رو به وخامت می‌گذارند، متغیر است.

The signs and symptoms of MS are determined by the location of the affected regions. Particularly common are monocular blindness (due to lesions of the optic nerve), motor weakness or paralysis (due to lesions of the corticospinal tracts), abnormal somatic sensations (due to lesions of somatosensory pathways, often in the posterior columns), double vision (due to lesions of medial longitudinal fasciculus), and dizziness (due to lesions of vestibular pathways). Abnormalities are often apparent in the cerebrospinal fluid, which usually contains an abnormal number of cells associated with inflammation and an increased content of antibodies (a sign of an altered immune response). MS is difficult to diagnose, generally relying on the presence of a neurological problem that subsides, only to return at an unrelated site. Confirmation can sometimes be obtained from magnetic resonance imaging (MRI) or from functional evidence of lesions in a particular pathway. The post-mortem histological hallmark of MS is multiple lesions at different sites showing loss of myelin associated with infiltration of inflammatory cells and, in some instances, loss of axons themselves.

علائم و نشانه‌های بیماری ام‌اس (MS) با توجه به محل نواحی آسیب‌دیده تعیین می‌شوند. نابینایی تک‌چشمی (به دلیل ضایعات عصب بینایی)، ضعف حرکتی یا فلج (به دلیل ضایعات مسیرهای قشری-نخاعی)، احساسات غیرطبیعی جسمی (به دلیل ضایعات مسیرهای حسی-تنی، اغلب در ستون‌های خلفی)، دوبینی (به دلیل ضایعات فاسیکول طولی داخلی) و سرگیجه (به دلیل ضایعات مسیرهای دهلیزی) به‌طور ویژه شایع هستند. ناهنجاری‌ها اغلب در مایع مغزی نخاعی آشکار می‌شوند که معمولاً حاوی تعداد غیرطبیعی سلول مرتبط با التهاب و افزایش محتوای آنتی‌بادی‌ها (نشانه‌ای از پاسخ ایمنی تغییر یافته) است. تشخیص ام‌اس دشوار است و عموماً به وجود یک مشکل عصبی که فروکش می‌کند و سپس در یک محل نامرتبط بازمی‌گردد، متکی است. گاهی اوقات می‌توان از تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) یا از شواهد عملکردی ضایعات در یک مسیر خاص، تأیید را به دست آورد. مشخصه بافت‌شناسی پس از مرگ ام‌اس، ضایعات متعدد در مکان‌های مختلف است که نشان‌دهنده از بین رفتن میلین مرتبط با نفوذ سلول‌های التهابی و در برخی موارد، از بین رفتن خود آکسون‌ها است.

The concept of MS as a demyelinating disease is deeply embedded in the clinical literature, although precisely how the demyelination translates into functional deficits is poorly understood. The loss of the myelin sheath surrounding many axons (see figure) clearly compromises action potential conduction, and the abnormal patterns of nerve conduction that result presumably produce most of the disease symptoms. However, MS may have effects that extend beyond loss of the myelin sheath. It is clear that some axons are actually destroyed, probably as a result of inflammatory processes in the overlying myelin and/or loss of trophic support of the axon by oligodendrocytes. Thus, axon loss contributes to functional deficits in MS, especially in the chronic, progressive forms of the disease.

مفهوم بیماری ام‌اس به عنوان یک بیماری دمیلینه‌کننده عمیقاً در متون بالینی ریشه دوانده است، اگرچه دقیقاً چگونگی تبدیل دمیلینه شدن به نقص‌های عملکردی به خوبی درک نشده است. از بین رفتن غلاف میلین اطراف بسیاری از آکسون‌ها (شکل را ببینید) به وضوح هدایت پتانسیل عمل را به خطر می‌اندازد و الگوهای غیرطبیعی هدایت عصبی که در نتیجه آن ایجاد می‌شوند، احتمالاً بیشتر علائم بیماری را ایجاد می‌کنند. با این حال، ام‌اس ممکن است اثراتی داشته باشد که فراتر از از بین رفتن غلاف میلین باشد. واضح است که برخی از آکسون‌ها در واقع از بین می‌روند، احتمالاً در نتیجه فرآیندهای التهابی در میلین پوشاننده و/یا از بین رفتن حمایت تغذیه‌ای آکسون توسط الیگودندروسیت‌ها. بنابراین، از بین رفتن آکسون به نقص‌های عملکردی در ام‌اس، به ویژه در اشکال مزمن و پیشرونده بیماری، کمک می‌کند.

The ultimate cause of MS remains unclear. The immune system undoubtedly contributes to the damage, and new immunoregulatory therapies provide substantial benefits to some patients. Precisely how the immune system is activated to cause the injury is not known. The most popular hypothesis is that MS is an autoimmune disease (i.e., the immune system attacks the body’s proper constituents). The fact that immunization of experimental animals with any one of several molecular constituents of the myelin sheath can induce a demyelinating disease (called experimental allergic encephalomyelitis) shows that an autoimmune attack on the myelin membrane is sufficient to produce a picture similar to MS. Very recent evidence suggests that one important target of autoimmune attack is contactin-2, a protein found on glia and axons at nodes of Ranvier. A possible cause is that a genetically susceptible individual becomes transiently infected (by a minor viral illness, for example) with a microorganism that expresses a molecule structurally similar to contactin-2 or some other component of myelin. An immune response to this antigen is mounted to attack the invader, but the failure of the immune system to discriminate between the foreign protein and self results in de-struction of otherwise normal myelin.

علت نهایی بیماری ام‌اس هنوز مشخص نیست. سیستم ایمنی بدون شک در ایجاد آسیب نقش دارد و درمان‌های جدید تنظیم‌کننده سیستم ایمنی مزایای قابل توجهی را برای برخی از بیماران فراهم می‌کنند. اینکه سیستم ایمنی دقیقاً چگونه برای ایجاد آسیب فعال می‌شود، مشخص نیست. رایج‌ترین فرضیه این است که ام‌اس یک بیماری خودایمنی است (یعنی سیستم ایمنی به اجزای مناسب بدن حمله می‌کند). این واقعیت که ایمن‌سازی حیوانات آزمایشگاهی با هر یک از چندین جزء مولکولی غلاف میلین می‌تواند باعث ایجاد یک بیماری دمیلینه‌کننده (به نام آنسفالومیلیت آلرژیک تجربی) شود، نشان می‌دهد که حمله خودایمنی به غشای میلین برای ایجاد تصویری مشابه ام‌اس کافی است. شواهد بسیار جدید نشان می‌دهد که یکی از اهداف مهم حمله خودایمنی، کنتاکتین-۲ است، پروتئینی که روی گلیا و آکسون‌ها در گره‌های رانویه یافت می‌شود. یک علت احتمالی این است که یک فرد مستعد از نظر ژنتیکی به طور گذرا (مثلاً توسط یک بیماری ویروسی جزئی) به یک میکروارگانیسم که مولکولی را که از نظر ساختاری شبیه به کنتاکتین-۲ یا برخی دیگر از اجزای میلین است، بیان می‌کند. پاسخ ایمنی به این آنتی‌ژن برای حمله به مهاجم ایجاد می‌شود، اما ناتوانی سیستم ایمنی در تمایز قائل شدن بین پروتئین خارجی و خودی منجر به تخریب میلین طبیعی می‌شود.

 An alternative hypothesis is that MS is caused by a persistent infection by a virus or other microorganism. In this scenario, the ongoing efforts of the immune system to get rid of the pathogen damage myelin. Tropical spastic paraparesis (TSP) provides a precedent for this idea. TSP is characterized by the gradual progression of weakness of the legs and impaired control of bladder function associated with increased deep tendon reflexes and a positive Babinski sign (see Figure 17.17). This clinical picture is similar to that of rapidly advancing MS, and TSP is known to be caused by persistent infection with a retrovirus (human T lymphotropic virus-1). Proving the persistent viral infection hypothesis for MS, however, requires unambiguous demonstration of the presence of a virus. Despite periodic reports of a virus associated with MS, convincing evidence has not been forthcoming. In sum, despite the benefits to some patients of immunomodulatory therapies, the diagnosis and treatment of multiple sclerosis remain a daunting clinical challenge.

یک فرضیه جایگزین این است که ام‌اس ناشی از عفونت مداوم توسط یک ویروس یا میکروارگانیسم دیگر است. در این سناریو، تلاش‌های مداوم سیستم ایمنی برای خلاص شدن از شر پاتوژن به میلین آسیب می‌رساند. پاراپارزی اسپاستیک گرمسیری (TSP) سابقه‌ای برای این ایده فراهم می‌کند. TSP با پیشرفت تدریجی ضعف پاها و اختلال در کنترل عملکرد مثانه همراه با افزایش رفلکس‌های تاندون عمقی و علامت بابینسکی مثبت مشخص می‌شود (شکل 17.17 را ببینید). این تصویر بالینی مشابه تصویر بالینی ام‌اس با پیشرفت سریع است و مشخص شده است که TSP ناشی از عفونت مداوم با یک رتروویروس (ویروس لنفوتروپیک T انسانی-1) است. با این حال، اثبات فرضیه عفونت ویروسی مداوم برای ام‌اس، نیاز به اثبات واضح وجود ویروس دارد. با وجود گزارش‌های دوره‌ای از ویروس مرتبط با ام‌اس، شواهد قانع‌کننده‌ای در دسترس نیست. در مجموع، با وجود مزایای درمان‌های تعدیل‌کننده سیستم ایمنی برای برخی از بیماران، تشخیص و درمان ام‌اس همچنان یک چالش بالینی دلهره‌آور است.

ADDITIONAL READING