علوم اعصاب پروس؛ هاجکین و هاکسلی: بازسازی پتانسیل عمل

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