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