ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ: РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ФАЗЫ - ГЕОГРАФИЯ - 2026

Потенциал действия является кратковременным электрическим или химическим явлением , которое происходит в нейронах мозга. Можно сказать, что это сообщение, которое нейрон передает другим нейронам.

Потенциал действия вырабатывается в теле клетки (ядре), также называемом сомой. Он проходит через весь аксон (расширение нейрона, похожее на провод), пока не достигает своего конца, называемого кнопкой терминала.

Потенциалы действия на данном аксоне всегда имеют одинаковую продолжительность и интенсивность. Если аксон разветвляется на другие процессы, потенциал действия делится, но его интенсивность не уменьшается.

Когда потенциал действия достигает конечных кнопок нейрона, они выделяют химические вещества, называемые нейротрансмиттерами. Эти вещества возбуждают или подавляют нейрон, который их принимает, будучи способными генерировать потенциал действия в указанном нейроне.

Многое из того, что известно о потенциалах действия нейронов, получено из экспериментов с гигантскими аксонами кальмаров. Его легко изучать из-за его размера, так как он простирается от головы до хвоста. Они служат для того, чтобы животное могло двигаться.

Мембранный потенциал нейрона

А. Схематическое изображение идеального потенциала действия. Б. Реальная запись потенциала действия. Источник: en: Memenen / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

У нейронов внутри электрический заряд другой, чем снаружи. Эта разница называется мембранным потенциалом .

Когда нейрон находится в состоянии покоя , это означает, что его электрический заряд не изменяется возбуждающими или тормозящими синаптическими потенциалами.

С другой стороны, когда на него влияют другие потенциалы, мембранный потенциал может быть уменьшен. Это известно как деполяризация .

Напротив, когда мембранный потенциал увеличивается относительно своего нормального потенциала, возникает явление, называемое гиперполяризацией .

Когда очень быстрое изменение мембранного потенциала происходит внезапно, возникает потенциал действия . Он состоит из короткого электрического импульса, который переводится в сообщение, которое проходит через аксон нейрона. Он начинается в теле клетки, доходя до кнопок терминала.

Нервный импульс проходит по аксону.

Важно отметить, что для возникновения потенциала действия электрические изменения должны достичь порога, называемого порогом возбуждения . Это значение мембранного потенциала, которое обязательно должно быть достигнуто для возникновения потенциала действия.

Схема химического синапса

Потенциалы действия и изменения уровней ионов

Проницаемость мембраны нейрона во время потенциала действия. В состоянии покоя (1) ионы натрия и калия не могут проходить через мембрану, и нейрон имеет внутри отрицательный заряд. Деполяризация (2) нейрона активирует натриевой канал, позволяя ионам натрия проходить через мембрану нейрона. Реполяризация (3), когда натриевые каналы закрываются и калиевые каналы открываются, ионы калия пересекают мембрану. В рефрактерный период (4) мембранный потенциал возвращается в состояние покоя, когда калиевые каналы закрываются. Источник: мембранная проницаемость нейрона во время потенциала действия.pdf и потенциал действия, CThompson02.

В нормальных условиях нейрон готов принимать внутрь натрий (Na +). Однако его мембрана не очень проницаема для этого иона.

Кроме того, хорошо известные «переносчики натрия-калия» содержат белок, обнаруженный в клеточной мембране, который отвечает за удаление из нее ионов натрия и введение в нее ионов калия. В частности, на каждые 3 извлекаемых иона натрия он вводит два иона калия.

Эти переносчики поддерживают низкий уровень натрия в клетке. Если проницаемость клетки увеличится и в нее внезапно попадет больше натрия, мембранный потенциал радикально изменится. Видимо, это то, что запускает потенциал действия.

В частности, проницаемость мембраны для натрия будет увеличиваться, поскольку он проникает в нейрон. В то же время это позволит ионам калия покинуть клетку.

Как происходят эти изменения проницаемости?

Клетки встроили в свою мембрану многочисленные белки, называемые ионными каналами . В них есть отверстия, через которые ионы могут входить в клетки или покидать их, хотя они не всегда открыты. Каналы закрываются или открываются в зависимости от определенных событий.

Существует несколько типов ионных каналов, каждый из которых обычно предназначен для проведения исключительно определенных типов ионов.

Например, открытый натриевый канал может пропускать более 100 миллионов ионов в секунду.

Как производятся потенциалы действия?

Нейроны передают информацию электрохимически. Это означает, что химические вещества производят электрические сигналы.

Эти химические вещества имеют электрический заряд, поэтому их называют ионами. Самыми важными в нервной системе являются натрий и калий, которые имеют положительный заряд. Помимо кальция (2 положительных заряда) и хлора (один отрицательный заряд).

Изменения мембранного потенциала

Первым шагом к возникновению потенциала действия является изменение мембранного потенциала клетки. Это изменение должно превышать порог возбуждения.

В частности, происходит снижение мембранного потенциала, которое называется деполяризацией.

Открытие натриевых каналов

Как следствие, натриевые каналы, встроенные в мембрану, открываются, позволяя натрию массово проникать в нейрон. Они вызываются силами диффузии и электростатическим давлением.

Поскольку ионы натрия заряжены положительно, они вызывают быстрое изменение мембранного потенциала.

Открытие калиевого канала

Мембрана аксона имеет как натриевые, так и калиевые каналы. Однако последние открываются позже, потому что они менее чувствительны. То есть им нужен более высокий уровень деполяризации, чтобы открыться, и поэтому они открываются позже.

Закрытие натриевых каналов

Приходит время, когда потенциал действия достигает своего максимального значения. С этого периода натриевые каналы блокируются и закрываются.

Они больше не могут открыться, пока мембрана снова не достигнет своего потенциала покоя. Как следствие, натрий больше не может попадать в нейрон.

Закрытие калиевого канала

Однако калиевые каналы остаются открытыми. Это позволяет ионам калия проходить через ячейку.

Из-за диффузии и электростатического давления, поскольку внутренняя часть аксона заряжена положительно, ионы калия выталкиваются из клетки. Таким образом, мембранный потенциал возвращается к своему обычному значению. Постепенно калиевые каналы закрываются.

Этот выход катионов заставляет мембранный потенциал восстанавливать свое нормальное значение. Когда это происходит, калиевые каналы снова начинают закрываться.

Как только мембранный потенциал достигает своего нормального значения, калиевые каналы полностью закрываются. Несколько позже активируются натриевые каналы, готовясь к новой деполяризации, которая их откроет.

Наконец, транспортеры натрий-калий выделяют натрий, который вошел, и восстанавливают калий, который ранее вышел.

Как информация распространяется по аксону?

Части нейрона. Источник: Машиночитаемый автор не предоставлен. NickGorton ~ Commonswiki предполагается (на основании заявлений об авторских правах)

Аксон состоит из части нейрона, удлинения нейрона в виде кабеля. Они могут быть слишком длинными, чтобы нейроны, находящиеся на физическом расстоянии друг от друга, могли соединяться и отправлять информацию друг другу.

Потенциал действия распространяется вдоль аксона и достигает кнопок терминала для отправки сообщений в следующую клетку. Если бы мы измерили интенсивность потенциала действия в разных областях аксона, мы бы обнаружили, что его интенсивность остается одинаковой во всех областях.

Закон все или ничего

Это происходит потому, что аксональная проводимость подчиняется фундаментальному закону: закону «все или ничего». То есть дан потенциал действия или нет. Как только он начинается, он проходит через весь аксон до конца, всегда сохраняя тот же размер, он не увеличивается и не уменьшается. Более того, если аксон разветвляется, потенциал действия делится, но сохраняет свой размер.

Потенциалы действия начинаются на конце аксона, который прикреплен к соме нейрона. Обычно они едут только в одном направлении.

Возможности действия и поведения

В этот момент вам может быть интересно: если потенциал действия представляет собой процесс «все или ничего», как возникают определенные формы поведения, такие как сокращение мышц, которые могут варьироваться между разными уровнями интенсивности? Это происходит по закону частоты.

Закон частоты

Что происходит, так это то, что отдельный потенциал действия не предоставляет информацию напрямую. Вместо этого информация определяется частотой разряда или скоростью активации аксона. То есть частота, с которой возникают потенциалы действия. Это известно как «закон частоты».

Таким образом, высокая частота потенциалов действия приведет к очень интенсивному сокращению мышц.

То же самое и с восприятием. Например, очень яркий визуальный стимул, который нужно уловить, должен вызвать высокую «скорость возбуждения» в аксонах, прикрепленных к глазам. Таким образом, частота потенциалов действия отражает интенсивность физического стимула.

Следовательно, закон «все или ничего» дополняется законом частоты.

Другие формы обмена информацией

Потенциалы действия - не единственные классы электрических сигналов, которые возникают в нейронах. Например, отправка информации через синапс дает небольшой электрический импульс в мембране нейрона, который получает данные.

Схема синапса. Источник: Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com)

Иногда небольшая деполяризация, которая слишком мала для создания потенциала действия, может немного изменить мембранный потенциал.

Однако это изменение постепенно уменьшается по мере прохождения аксона. При таком типе передачи информации ни натриевые, ни калиевые каналы не открываются и не закрываются.

Таким образом, аксон действует как подводный кабель. По мере прохождения через него сигнала его амплитуда уменьшается. Это называется нисходящей проводимостью и происходит из-за характеристик аксона.

Потенциалы действия и миелин

Аксоны почти всех млекопитающих покрыты миелином. То есть у них есть сегменты, окруженные веществом, которое обеспечивает нервную проводимость, делая ее быстрее. Миелин обвивается вокруг аксона, не позволяя внеклеточной жидкости достигать его.

Миелин вырабатывается в центральной нервной системе клетками, называемыми олигодендроцитами. В то время как в периферической нервной системе он вырабатывается шванновскими клетками.

Миелиновые сегменты, известные как миелиновые оболочки, отделены друг от друга оголенными участками аксона. Эти области называются узелками Ранвье, и они контактируют с внеклеточной жидкостью.

Потенциал действия в немиелинизированном аксоне (который не покрыт миелином) передается иначе, чем в миелинизированном.

Потенциал действия может проходить через покрытую миелином аксональную мембрану благодаря свойствам проволоки. Таким образом, аксон проводит электрические изменения от места, где возникает потенциал действия, к следующему узлу Ранвье.

Это изменение немного сужается, но достаточно сильно, чтобы вызвать потенциал действия в следующем узле. Затем этот потенциал запускается или повторяется в каждом узле Ранвье, транспортируясь по миелинизированной области к следующему узлу.

Такой вид проведения потенциалов действия называется скачкообразной проводимостью. Его название происходит от латинского «saltare», что означает «танцевать». Идея заключается в том, что импульс, кажется, перескакивает от узла к узлу.

Преимущества скачкообразного проведения для передачи потенциалов действия

У этого типа вождения есть свои преимущества. Прежде всего, для экономии энергии. Транспортеры натрия и калия тратят много энергии, вытягивая избыток натрия из аксона во время потенциалов действия.

Эти транспортеры натрия-калия расположены в областях аксона, не покрытых миелином. Однако в миелинизированном аксоне натрий может попасть только в узлы Ранвье. Из-за этого поступает гораздо меньше натрия, и из-за этого необходимо откачивать меньше натрия, поэтому транспортеры натрия-калия должны работать меньше.

Еще одно преимущество миелина - скорость. Потенциал действия реализуется быстрее в миелинизированном аксоне, так как импульс «прыгает» от одного узла к другому, не проходя через весь аксон.

Это увеличение скорости заставляет животных думать и реагировать быстрее. У других живых существ, таких как кальмары, есть аксоны без миелина, которые набирают скорость из-за увеличения своего размера. Аксоны кальмаров имеют большой диаметр (около 500 мкм), что позволяет им перемещаться быстрее (около 35 метров в секунду).

Однако с той же скоростью потенциалы действия перемещаются в аксонах кошек, хотя они имеют диаметр всего 6 мкм. Что происходит, так это то, что эти аксоны действительно содержат миелин.

Миелинизированный аксон может проводить потенциалы действия со скоростью около 432 километров в час при диаметре 20 мкм.

Ссылки

1. Возможности действия. (SF). Получено 5 марта 2017 г. из Hyperphysics, Государственный университет штата Джорджия: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
2. Карлсон, Н.Р. (2006). Физиология поведения 8-е изд., Мадрид: Пирсон.
3. Чудлер, Э. (nd). Свет, камера, потенциал действия. Получено 5 марта 2017 г. из Вашингтонского университета: faculty.washington.edu.
4. Этапы действия потенциала. (SF). Получено 5 марта 2017 г. с сайта Boundless: boundless.com.