Потенциал на действие: посланието на невроните
Потенциалът за действие е краткосрочен електрически или химичен феномен, който се случва в невроните на нашия мозък. Може да се каже, че това е съобщението, което ще се предава на други неврони.
Той се произвежда в тялото на клетката (ядрото), наричано още сома. Той пътува през целия аксон (разширение на неврон, подобно на кабел), докато достигне своя край, наречен терминален бутон.
Потенциалите на действие в даден аксон винаги имат еднаква продължителност и интензивност. Ако аксонът се разклони в други разширения, потенциалът за действие е разделен, но неговата интензивност не се намалява.
Когато потенциалът за действие достигне крайните бутони на неврон, те отделят химикали, наречени невротрансмитери. Тези вещества възбуждат или инхибират неврон, който ги получава, като са в състояние да генерират потенциал за действие в споменатия неврон.
Голяма част от това, което се знае за потенциала за действие на невроните, идва от експерименти с гигантски аксони на калмари. Лесно е да се изучава поради размера си, тъй като се простира от главата до опашката. Те служат така, че животното да може да се движи.
Невронален потенциал на мембраната
Невроните имат различни електрически заряди вътре в тях, отколкото отвън. Тази разлика се нарича мембранен потенциал .
Когато неврон е в потенциала за почивка, това означава, че електрическият му заряд не се променя от възбуждащи или инхибиращи синаптични потенциали.
Обратно, когато други потенциали влияят върху нея, мембранният потенциал може да бъде намален. Това е известно като деполяризация .
Или, обратно, когато мембранният потенциал се увеличава по отношение на неговия нормален потенциал, възниква феномен, наречен хиперполяризация .
Когато внезапно настъпи много бързо обръщане на мембранния потенциал, се дава потенциал за действие . Това се състои от кратък електрически импулс, който се превежда в посланието, което пътува през аксона на неврона. Тя започва в тялото на клетката, достигайки до терминалните бутони.
Важно е да се отбележи, че за да възникне потенциал за действие, електрическите промени трябва да достигнат праг, наречен праг на възбуждане . Необходимо е да се достигне стойността на мембранния потенциал, за да възникне потенциалът за действие.
Потенциали на действие и промени в йонните нива
При нормални условия, невронът е готов да приеме натрий (Na +) вътре в него. Въпреки това, нейната мембрана не е много проницаема за този йон.
В допълнение, той има добре познатите "натриево-калиеви транспортери", протеин, който се намира в мембраната на клетките, която е отговорна за отстраняването на натриеви йони от нея и за въвеждане на калиеви йони в нея. По-специално, за всеки 3 йони на натриева екстракция се въвеждат два калия.
Тези транспортери поддържат ниско ниво на натрий в клетката. Ако пропускливостта на клетката се увеличи и по-голямо количество натрий влезе внезапно, мембранният потенциал би се променил радикално. Очевидно това е причината за потенциал за действие.
По-специално, пропускливостта на мембраната към натрий би се увеличила, като се вкарва вътре в неврона. В същото време това би позволило на калиевите йони да напуснат клетката.
Как се случват тези промени в пропускливостта?
Клетките са вградени в тяхната мембрана множество протеини, наречени йонни канали . Те имат отвори, през които йони могат да влизат или излизат от клетките, въпреки че не винаги са отворени. Каналите се затварят или отварят според определени събития.
Съществуват множество видове йонни канали, като всяка от тях обикновено е специализирана да управлява определени видове йони.
Например, открит натриев канал може да премине повече от 100 милиона йона в секунда.
Как се произвеждат потенциалите за действие?
Невроните предават информация електрохимично. Това означава, че химикалите произвеждат електрически сигнали.
Тези химикали имат електрически заряд, поради което се наричат йони. Най-важните в нервната система са натрий и калий, които имат положителен заряд. В допълнение към калция (2 положителни заряда) и хлор (отрицателен заряд).
Промени в мембранния потенциал
Първата стъпка за възникване на потенциал за действие е промяна в мембранния потенциал на клетката. Тази промяна трябва да надвишава прага на възбуда.
По-специално, има намаляване на мембранния потенциал, който се нарича деполяризация.
Откриване на натриеви канали
Като следствие, натриевите канали, вградени в мембраната, се отварят, позволявайки натрий да влезе масивно вътре в неврона. Те се задвижват от силите на дифузия и електростатично налягане.
Тъй като натриевите йони са положително заредени, те предизвикват бърза промяна в мембранния потенциал.
Откриване на калиеви канали
Аксонната мембрана има както натриеви, така и калиеви канали. Въпреки това, последното се отваря по-късно, защото те са по-малко чувствителни. Тоест, те се нуждаят от по-високо ниво на деполяризация, за да се отворят и затова те се отварят по-късно.
Закриване на натриеви канали
Идва момент, когато потенциалът за действие достига своята максимална стойност. След този период натриевите канали се блокират и затварят.
Те вече не могат да се отварят отново, докато мембраната отново не достигне потенциала за почивка. В резултат не повече натрий може да влезе в неврона.
Закриване на калиеви канали
Въпреки това, калиевите канали остават отворени. Това позволява на калиевите йони да преминават през клетката.
Поради дифузия и електростатично налягане, тъй като вътрешността на аксона е положително заредена, калиевите йони се изтласкват от клетката.
По този начин, мембранният потенциал възстановява своята обичайна стойност. Малко по малко, калиевите канали се затварят.
Този катионен изход причинява потенциал на мембраната да възстанови своята нормална стойност. Когато това се случи, калиевите канали започват отново да се затварят.
В момента, когато мембранният потенциал достигне нормалната си стойност, калиевите канали се затварят напълно. Малко по-късно натриевите канали се активират отново, подготвяйки се за нова деполяризация, за да ги отворят.
Накрая, натриево-калиевите транспортери отделят натрия, който е влязъл, и възстановяват калия, който е останал по-рано.
Как се разпространява информацията от аксона?
Ахонът се състои от част от неврона, продължение на последното, подобно на кабел. Те могат да бъдат много дълги, за да позволят на невроните, които са физически далеч, да се свързват и изпращат информация.
Потенциалът за действие се разпространява по аксона и достига до терминалните бутони, за да изпраща съобщения до следващата клетка.
Ако измерваме интензивността на потенциала за действие от различни области на аксона, ще открием, че неговата интензивност остава същата във всички области.
Закон на всички или нищо
Това се случва, защото провеждането на аксоните следва основен закон: законът на всичко или нищо. Това означава, че се дава или не се дава потенциал за действие. След като започне, той пътува по аксона до крайност, винаги поддържайки същия размер, не се увеличава или намалява. Освен това, ако се разклони аксон, потенциалът за действие е разделен, но запазва размера си.
Потенциалите за действие започват в края на аксона, който е прикрепен към сомата на неврона. Обикновено те обикновено пътуват само в една посока.
Потенциали на действие и поведение
Възможно е в този момент да се запитате: ако потенциалът за действие е процес „всичко или нищо“, как се случват определени поведения, като свиване на мускулите, които могат да варират между различните нива на интензивност? Това се случва поради закона за честотата.
Закон за честотата
Случва се, че един потенциал за действие не предоставя директно информация. Вместо това информацията се определя от честотата на изпускане или скоростта на изстрелване на аксон. Тоест, честотата, в която възникват потенциалите за действие. Това е известно като "закон за честотата".
По този начин високата честота на потенциала за действие би довела до много интензивно мускулно свиване.
Същото се случва и с възприятието. Например, много ярък визуален стимул, за да бъде уловен, трябва да произведе висока "скорост на стрелба" в аксоните, прикрепени към очите. По този начин честотата на потенциала за действие отразява интензивността на физически стимул.
Следователно, законът на всички или нищо не се допълва от закона за честотата.
Други форми на обмен на информация
Потенциалите за действие не са единствените видове електрически сигнали, които се появяват в невроните. Например, изпращане на информация през синапс дава малък електрически импулс на мембраната на неврон, който получава данните.
В някои случаи леката деполяризация, която е твърде слаба, за да предизвика потенциал за действие, може леко да промени мембранния потенциал.
Въпреки това, тази промяна се намалява малко по малко, тъй като тя преминава през аксона. При този вид предаване на информация нито натриевите, нито калиевите канали се отварят или затварят.
Така аксонът действа като подводен кабел. Тъй като сигналът се предава от него, неговата амплитуда намалява. Това е известно като намаляване на проводимостта и се дължи на характеристиките на аксона.
Потенциали за действие и миелин
Аксоните на почти всички бозайници са покрити с миелин. Тоест, те имат сегменти, заобиколени от вещество, което позволява провеждането на нерви, което го прави по-бърз. Миелинът се обвива около аксона, без да позволява на екстрацелуларната течност да го достигне.
Миелин се произвежда в централната нервна система от клетки, наречени олигодендроцити. Докато в периферната нервна система тя се произвежда от клетки на Schwann.
Миелиновите сегменти, известни като миелинови обвивки, са разделени от непокрити участъци на аксона. Тези зони се наричат ранвиеви възли и те са в контакт с извънклетъчната течност.
Потенциалът на действие се предава различно в немиелинизиран аксон (който не е покрит с миелин), отколкото в миелинизиран.
Потенциалът на действие може да преминава през аксонова мембрана, покрита с миелин, чрез свойствата на кабела. Аксонът по този начин провежда електрическата промяна от мястото, където се появява потенциалът за действие, до следващия възел на Ранвие.
Тази промяна е леко намалена, но е достатъчно интензивна, за да провокира потенциал за действие в следващия възел. След това, този потенциал се задейства отново или се повтаря във всеки възел от Ranvier, транспортиран през миелинизираната зона до следващия нодул.
Този вид провеждане на потенциали на действие се нарича проводимост на солеността. Името му идва от латинската "saltare", което означава "да танцуваш". Концепцията е, защото импулсът изглежда скочи от нодула към нодула.
Предимства на соларното провеждане за предаване на потенциали на действие
Този тип шофиране има своите предимства. Първо, за да пестим енергия. Натриево-калиевите транспортери изразходват много енергия за извличане на излишния натрий от аксона по време на действие.
Тези натриево-калиеви транспортери са разположени в области на аксона, които не са покрити с миелин. Обаче, в миелинизиран аксон, натрият може да влезе само в нодулите на Ranvier. Затова навлиза много по-малко натрий и поради това трябва да се изпомпва по-малко натрий. Така натриево-калиевите превозвачи трябва да работят по-малко.
Друга полза от миелина е колко бързо. Потенциалът на действие се задвижва по-бързо в миелинизиран аксон, тъй като импулсът "скача" от един нодул на друг, без да се налага да минава през целия аксон.
Това увеличаване на скоростта кара животните да мислят и реагират по-бързо. Други живи същества, като например калмарите, имат аксони без миелин, които получават скорост поради увеличаване на техния размер. Аксоните на калмарите имат голям диаметър (около 500 μm), което им позволява да пътуват по-бързо (около 35 метра в секунда).
Въпреки това, при същата скорост, потенциалите на действие в аксоните на котките се движат, въпреки че имат диаметър само 6 μm. Случва се, че тези аксони съдържат миелин.
Миелинизираният аксон може да доведе до потенциали на действие при скорост от около 432 километра в час с диаметър 20 μm.
