Obrázek 1. A. Schématický pohled na idealizovaný akční potenciál ilustruje jeho různé fáze, jak akční potenciál předává bod na buněčné membráně. B. Skutečné záznamy akčních potenciálů jsou často ve srovnání se schematickým pohledem zkreslené kvůli rozdílům v elektrofyziologických technikách použitých k pořízení záznamu
Akční potenciál je pulzní vlna napětí, která může putovat po určitých typech buněčných membrán. Vyskytuje se nejčastěji na membráně axonu neuronu, ale objevuje se i v jiných typech excitovatelných buněk, jako jsou buňky srdečního svalu a dokonce i rostlinné buňky. Klidové napětí přes axonální membránu je typicky −60 mV až −70 mV, přičemž uvnitř je zápornější než venku. Toto napětí vyplývá především z rozdílu koncentrací draslíku uvnitř a vně buňky, jak je popsáno v Goldmanově rovnici. Když akční potenciál prochází bodem, napětí vzroste na zhruba +40 mV za jednu milisekundu, pak se vrátí na −60 mV, obvykle s podstřelem (obrázek 1A). Akční potenciál se pohybuje rychle po axonu, s vodivou rychlostí až 100 metrů za sekundu (225 mil za hodinu). Díky této rychlé rychlosti jsou akční potenciály užitečné při přenosu informací podél neuronů, které jsou někdy delší než metr; žádný hmotný objekt by nemohl být transportován tělem tak rychle.
Akční potenciál je stimulován depolarizací membrány, tj. zvýšením napětí vnitřku buňky vzhledem k vnějšku buňky. Tato depolarizace otevírá napěťově citlivé kanály, které umožňují proudění pozitivního proudu dovnitř, což dále depolarizuje membránu. Slabé depolarizace jsou utlumeny, což obnovuje klidový potenciál. Dostatečně silný podnět však způsobí, že membrána „vzplane“, což vyvolá pozitivní zpětnovazební smyčku, která náhle a rychle zvýší napětí. Napětí membrány je obnoveno na klidovou hodnotu kombinací efektů: kanály odpovědné za počáteční vnitřní proud jsou deaktivovány, zatímco zvýšené napětí otevírá jiné napěťově citlivé kanály, které umožňují kompenzaci vnějšího proudu. U neuronů trvá vzestup a pokles membránového napětí obvykle několik tisícin sekundy; proto se akčním potenciálům někdy říká „hroty“.
Průchod akčního potenciálu může opustit iontové kanály v nerovnovážném stavu, což značně ztěžuje jejich otevření a vytvoření dalšího akčního potenciálu na stejném místě; takový axon je prý žáruvzdorný. Hlavní ionty zapojené do akčního potenciálu jsou kationty sodíku a draslíku; ionty sodíku vstupují do buňky a ionty draslíku ji opouštějí, čímž obnovují rovnováhu. Poměrně málo iontů je zapotřebí k tomu, aby membrána prošla membránou, aby se napětí membrány drasticky změnilo. Ionty vyměněné během akčního potenciálu proto zanedbatelně mění vnitřní i vnější iontové koncentrace.
Akční potenciál „cestuje“, protože dramaticky zvyšuje napětí na jednom místě membrány, což způsobuje podobný vzestup na přilehlých místech, jak je popsáno v rovnici kabelů. axon obecně tvoří mnoho větví a akční potenciál obvykle cestuje po obou vidlicích bodu větve. Akční potenciál se zastaví na koncích těchto větví, ale může vyvolat extracelulární uvolnění neurotransmiterů na těchto synapsích. Tyto neurotransmitery difundují a mohou se vázat na receptory na přilehlé excitovatelné buňce. Tyto receptory jsou obvykle iontové kanály, i když – na rozdíl od axonových kanálů – jsou obvykle otevřeny chemickou vazbou, nikoli změnami napětí. Vazba neurotransmiterů může pomoci depolarizovat membránu (excitační kanál) nebo způsobit vyvedení jakýchkoli excitačních proudů zpět ven (inhibiční kanál). Pokud jsou tyto polarizace dostatečně silné, mohou vyvolat další akční potenciál a začít proces znovu.
Obrázek dvou Purkyňových buněk (označených jako A) nakreslených Santiagem Ramónem y Cajalem. Velké stromy dendritů se živí somou, z níž vychází jediný axon a pohybuje se zpravidla dolů s několika body větvení. Menší buňky označené jako B jsou buňky granulí.
Roli elektřiny v nervových systémech zvířat poprvé pozoroval u rozpitvaných žab Luigi Galvani, který ji studoval v letech 1791 až 1797. Galvaniho výsledky podnítily Alessandra Voltu k vývoji Voltaické hromady – nejstarší známé elektrické baterie – s níž studoval elektřinu živočichů (například elektrických úhořů) a fyziologické reakce na aplikované stejnosměrné napětí.
Vědci 19. století studovali šíření elektrických signálů v celých nervech (tj. svazcích neuronů) a prokázali, že nervová tkáň je tvořena buňkami, namísto propojené sítě trubic (retikula). Carlo Matteucci navázal na Galvaniho studie a prokázal, že buněčné membrány mají přes sebe napětí a mohou produkovat stejnosměrný proud. Matteucciho práce inspirovala německého fyziologa Emila du Bois-Reymonda, který objevil akční potenciál v roce 1848. Didační rychlost akčních potenciálů byla poprvé změřena v roce 1850 du Bois-Reymondovým přítelem Hermannem von Helmholtzem. Pro zjištění, že nervová tkáň je tvořena diskrétními buňkami, použil španělský lékař Santiago Ramón y Cajal a jeho studenti skvrnu vyvinutou Camillem Golgim, aby odhalili nesčetné tvary neuronů, které pracně vykreslili. Za své objevy získali Golgi a Ramón y Cajal v roce 1906 Nobelovu cenu za fyziologii. Jejich práce vyřešila dlouhotrvající kontroverzi v neuroanatomii 19. století; sám Golgi se zasazoval o síťový model nervové soustavy.
Stužkový diagram sodno-draselné pumpy ve stavu E2-Pi. Odhadované hranice lipidové dvouvrstvy jsou znázorněny jako modrá (intracelulární) a červená (extracelulární) rovina.
Dvacáté století bylo zlatou érou elektrofyziologie. V roce 1902 a znovu v roce 1912 Julius Bernstein předložil hypotézu, že akční potenciál je důsledkem změny propustnosti axonální membrány vůči iontům. Bernsteinova hypotéza byla potvrzena Kenem Colem a Howardem Curtisem, kteří ukázali, že vodivost membrány se během akčního potenciálu zvyšuje. V roce 1907 Louis Lapicque navrhl, že akční potenciál je generován při překročení prahu, který by byl později ukázán jako produkt dynamických systémů iontové vodivosti. V roce 1949 Alan Hodgkin a Bernard Katz upřesnili Bernsteinovu hypotézu tím, že uvažovali o tom, že axonální membrána může mít různé propustnosti vůči různým iontům; zejména prokázali rozhodující roli propustnosti sodíku pro akční potenciál. Tento směr výzkumu vyvrcholil v pěti dokumentech Hodgkina, Katze a Andrewa Huxleyho z roku 1952, ve kterých aplikovali techniku napěťových svorek k určení závislosti propustnosti axonální membrány pro sodíkové a draselné ionty na napětí a čase, ze kterých byli schopni kvantitativně rekonstruovat akční potenciál. Hodgkin a Huxley korelovali vlastnosti svého matematického modelu s diskrétními iontovými kanály, které by mohly existovat v několika různých stavech, včetně „otevřených“, „uzavřených“ a „inaktivovaných“. Jejich hypotézy potvrdili v polovině 70. a 80. let Erwin Neher a Bert Sakmann, kteří vyvinuli techniku fixace záplat, aby zkoumali vodivé stavy jednotlivých iontových kanálů. V 21. století začínají výzkumníci chápat strukturální základ pro tyto vodivé stavy a pro selektivitu kanálů pro jejich druhy iontů, a to prostřednictvím krystalových struktur s atomovým rozlišením, měření fluorescenční vzdálenosti a studií kryo-elektronové mikroskopie.
Julius Bernstein byl také první, kdo zavedl Nernstovu rovnici klidového potenciálu přes membránu; to zobecnil David E. Goldman na stejnojmennou Goldmanovu rovnici v roce 1943. Sodíko-draselná pumpa byla identifikována v roce 1957 a její vlastnosti byly postupně objasněny, což vyvrcholilo stanovením její struktury s atomovým rozlišením rentgenovou krystalografií. Krystalové struktury souvisejících iontových pump byly také vyřešeny, což dává širší pohled na to, jak tyto molekulární stroje fungují.
Ve většině buněk se napětí v průběhu času mění jen velmi málo. Existují však některé typy buněk, které jsou elektricky aktivní v tom smyslu, že jejich napětí kolísá. V některých z nich napětí někdy vykazuje velmi rychlé výkyvy nahoru a dolů, které mají stereotypní podobu: tyto cykly nahoru a dolů jsou známé jako akční potenciály. Doba trvání akčních potenciálů se liší napříč širokým rozsahem, a proto se jedná o analogové signály. V mozkových buňkách zvířat může celý cyklus nahoru a dolů proběhnout za méně než tisícinu sekundy. V jiných typech buněk může cyklus trvat několik sekund.
Elektrické vlastnosti živočišné buňky jsou dány strukturou membrány, která ji obklopuje. Buněčná membrána se skládá z vrstvy lipidových molekul, v nichž jsou zabudovány větší proteinové molekuly. Lipidová vrstva je vysoce odolná vůči pohybu elektricky nabitých iontů, takže funguje hlavně jako izolátor. Velké membránou zabudované molekuly naproti tomu poskytují kanály, kterými mohou ionty procházet membránou, a některé z velkých molekul jsou schopny aktivně přesouvat specifické typy iontů z jedné strany membrány na druhou.
Proces v typickém neuronu
Obrázek 1. A. pohled na idealizovaný akční potenciál ukazuje jeho různé fáze, jak akční potenciál předává bod na buněčné membráně. B. Záznamy akčních potenciálů jsou často ve srovnání se schematickým pohledem zkreslené kvůli rozdílům v elektrofyziologických technikách použitých k pořízení záznamu.
Napěťově řízené iontové kanály jsou schopny produkovat akční potenciály, protože mohou dát vzniknout pozitivním zpětnovazebním smyčkám: Membránový potenciál řídí stav iontových kanálů, ale stav iontových kanálů řídí membránový potenciál. V některých situacích tak může nárůst membránového potenciálu způsobit otevření iontových kanálů, což způsobí další nárůst membránového potenciálu. Akční potenciál vzniká, když tento cyklus pozitivní zpětné vazby probíhá explozivně. Časová a amplitudová trajektorie akčního potenciálu je dána biofyzikálními vlastnostmi napěťově řízených iontových kanálů, které ho produkují. Existuje několik typů kanálů, které jsou schopny produkovat pozitivní zpětnou vazbu potřebnou k vytvoření akčního potenciálu. Napěťově řízené sodíkové kanály jsou zodpovědné za rychlé akční potenciály, které se podílejí na vedení nervů. Pomalejší akční potenciály ve svalových buňkách a některých typech neuronů jsou generovány napěťově řízenými vápníkovými kanály. Každý z těchto typů se vyskytuje ve více variantách, s různou citlivostí napětí a různou časovou dynamikou.
Nejintenzivněji studovaný typ napěťově závislých iontových kanálů zahrnuje sodíkové kanály, které se podílejí na rychlém vedení nervů. Ty jsou někdy známé jako Hodgkinovy-Huxleyho sodíkové kanály, protože je poprvé charakterizovali Alan Hodgkin a Andrew Huxley ve svých nositelích Nobelovy ceny za biofyziku akčního potenciálu, ale mohou být příhodněji označovány jako NaV kanály. (V znamená „napětí“.) NaV kanál má tři možné stavy, známé jako deaktivovaný, aktivovaný a inaktivovaný. Kanál je propustný pouze pro sodíkové ionty, když je v aktivovaném stavu. Když je membránový potenciál nízký, kanál tráví většinu času v deaktivovaném (uzavřeném) stavu. Pokud je membránový potenciál zvýšen nad určitou úroveň, kanál vykazuje zvýšenou pravděpodobnost přechodu do aktivovaného (otevřeného) stavu. Čím vyšší je membránový potenciál, tím větší je pravděpodobnost aktivace. Jakmile se kanál aktivuje, přejde nakonec do deaktivovaného (uzavřeného) stavu. Má pak tendenci zůstat nějakou dobu deaktivovaný, ale pokud se membránový potenciál opět sníží, kanál nakonec přejde zpět do deaktivovaného stavu. Během akčního potenciálu prochází většina kanálů tohoto typu cyklem deaktivovaný→aktivovaný→deaktivovaný→deaktivovaný→deaktivovaný. Jedná se však pouze o chování populačního průměru – jednotlivý kanál může v zásadě provést jakýkoliv přechod kdykoliv. Pravděpodobnost přechodu kanálu z deaktivovaného stavu přímo do aktivovaného stavu je však velmi nízká: Kanál v deaktivovaném stavu je žáruvzdorný, dokud nepřejde zpět do deaktivovaného stavu.
Výsledkem toho všeho je, že kinetika NaV kanálů je řízena přechodovou maticí, jejíž rychlosti jsou na napětí závislé komplikovaným způsobem. Vzhledem k tomu, že tyto kanály samy hrají hlavní roli při určování napětí, globální dynamika systému může být poměrně obtížná. Hodgkin a Huxley k problému přistoupili vytvořením souboru diferenciálních rovnic pro parametry, které řídí stavy iontových kanálů, známých jako Hodgkinovy-Huxleyovy rovnice. Tyto rovnice byly rozsáhle modifikovány pozdějším výzkumem, ale tvoří výchozí bod pro většinu teoretických studií biofyziky akčního potenciálu.
Jak se zvyšuje membránový potenciál, otevírají se kanály sodíkových iontů, které umožňují vstup sodíkových iontů do buňky. Následuje otevření kanálů draselných iontů, které umožňují odchod draselných iontů z buňky. Vnitřní tok sodíkových iontů zvyšuje koncentraci kladně nabitých kationtů v buňce a způsobuje depolarizaci, kde je potenciál buňky vyšší než klidový potenciál buňky. Sodíkové kanály se uzavírají na vrcholu akčního potenciálu, zatímco draslík buňku nadále opouští. eflux draselných iontů snižuje membránový potenciál nebo hyperpolarizuje buňku. Při malém zvýšení napětí z klidového stavu draselný proud překračuje sodíkový proud a napětí se vrací k normální klidové hodnotě, obvykle −70 mV. Pokud však napětí vzroste přes kritickou mez, obvykle o 15 mV vyšší než klidová hodnota, sodíkový proud dominuje. To má za následek splašený stav, kdy pozitivní zpětná vazba od sodíkového proudu aktivuje ještě více sodíkových kanálů. Buňka tedy „vzplane“, čímž vznikne akční potenciál.
Proudy produkované otevřením napěťově řízených kanálů v průběhu akčního potenciálu jsou obvykle výrazně větší než počáteční stimulační proud. Amplituda, trvání a tvar akčního potenciálu jsou tedy určovány převážně vlastnostmi excitovatelné membrány a nikoli amplitudou nebo dobou trvání stimulu. Tato vlastnost akčního potenciálu „vše nebo nic“ jej odlišuje od odstupňovaných potenciálů, jako jsou receptorové potenciály, elektrotonické potenciály a synaptické potenciály, které se mění podle velikosti stimulu. Různé typy akčního potenciálu existují v mnoha typech buněk a buněčných prostorech, jak je určuje typ napěťově řízených kanálů, únikových kanálů, distribuce kanálů, iontové koncentrace, membránová kapacita, teplota a další faktory.
Hlavními ionty, které se podílejí na akčním potenciálu, jsou kationty sodíku a draslíku; ionty sodíku vstupují do buňky a ionty draslíku odcházejí, čímž se obnovuje rovnováha. Relativně málo iontů potřebuje projít membránou, aby se napětí membrány drasticky změnilo. Ionty vyměněné během akčního potenciálu proto způsobují zanedbatelnou změnu v koncentracích iontů uvnitř i vně. Těch několik iontů, které se zkříží, je odčerpáno zpět nepřetržitým působením sodno-draselné pumpy, která spolu s ostatními iontovými transportéry udržuje normální poměr koncentrací iontů napříč membránou. Kaionty vápníku a chloridové anionty se podílejí na několika typech akčních potenciálů, jako je srdeční akční potenciál a akční potenciál v jednobuněčné řase Acetabularia.
Přestože se akční potenciály generují lokálně na záplatách excitovatelné membrány, výsledné proudy mohou spustit akční potenciály na sousedních úsecích membrány, což urychlí dominové šíření. Na rozdíl od pasivního šíření elektrických potenciálů (elektrotonického potenciálu) se akční potenciály generují znovu podél excitovatelných úseků membrány a šíří se bez rozpadu. Myelinizované úseky axonů nejsou excitovatelné a nevytvářejí akční potenciály a signál se šíří pasivně jako elektrotonický potenciál. Pravidelně rozmístěné nefyelinizované záplaty, nazývané Ranvierovy uzly, generují akční potenciály k zesílení signálu. Tento typ šíření signálu, známý jako saltatorní vedení, poskytuje příznivý kompromis rychlosti signálu a průměru axonu. Depolarizace axonových terminálů obecně spouští uvolnění neurotransmiteru do synaptické štěrbiny. Kromě toho, zpětně se šířící akční potenciály byly zaznamenány v dendritech pyramidových neuronů, které jsou všudypřítomné v neokortexu. Předpokládá se, že mají roli v plasticitě závislé na časování hrotů.
Transport plazmatickou membránou
Klidový potenciál je takový, jaký by byl zachován, pokud by nedošlo k žádným akčním potenciálům, synaptickým potenciálům nebo jiným změnám membránového potenciálu. V neuronech je klidový potenciál přibližně −70 mV (záporné znaménko značí nadměrný záporný náboj uvnitř buňky vzhledem k vnějšku). Klidový potenciál je většinou určen koncentracemi iontů v tekutinách na obou stranách buněčné membrány a iontovými transportními proteiny v buněčné membráně. Termín klidový je poněkud zavádějící, protože buňka musí neustále pracovat na udržení klidového potenciálu. Vytvoření tohoto potenciálového rozdílu zahrnuje několik faktorů, z nichž nejdůležitější je transport iontů přes buněčnou membránu a selektivní propustnost membrány pro tyto ionty.
Aktivní transport draslíku a sodíkových iontů do buňky a z buňky je realizován řadou sodno-draselných pump roztroušených po buněčné membráně. Každá pumpa transportuje do buňky dva ionty draslíku na každé tři odčerpané ionty sodíku. To vytváří zvláštní distribuci kladně nabitých iontů přes buněčnou membránu, přičemž více sodíku je přítomno mimo buňku než uvnitř. V některých situacích elektrogenní sodno-draselné pumpy významně přispívají k klidovému membránovému potenciálu, ale ve většině buněk existují únikové kanály draslíku, které dominují hodnotě klidového potenciálu.
Ionty sodíku a draslíku difundují otevřenými iontovými kanály pod vlivem svých elektrochemických gradientů. Při klidovém potenciálu se čistý pohyb sodíku do buňky rovná čistému pohybu draslíku ven z buňky. Nicméně membrána klidové buňky je přibližně 75krát propustnější pro draslík než pro sodík, protože únikové kanály draslíku jsou vždy otevřené. Výsledkem je, že klidový membránový potenciál buňky je blíže rovnovážnému potenciálu draslíku (=EK=−90 mV) než rovnovážnému potenciálu sodíku (=ENa=+60 mV).
Stejně jako klidový potenciál závisí akční potenciály na propustnosti buněčné membrány pro sodíkové a draselné ionty. Přechodné změny vodivosti pro různé ionty způsobují změny membránového potenciálu, které jsou nezbytné pro iniciaci, udržení a ukončení akčních potenciálů.
Sled událostí, které jsou základem akčního potenciálu, je uveden níže:
V klidu jsou v mnoha neuronech draselné kanály (draselný iontový kanál s vnitřním usměrňovačem i draselný kanál s tandemovou pórovou doménou otevřeny, zatímco sodíkové kanály jsou uzavřeny. I když neteče čistý proud, klidový potenciál je přitahován k reverznímu potenciálu K+, protože K+ je primární permeantní iont. Jiné typy tkání, například kosterní svalstvo, mohou mít také velkou klidovou Cl vodivost, což zvyšuje klidový potenciál na pozitivnější hodnoty.
Akční potenciál je depolarizující podnět typu vše nebo nic, který se šíří po povrchu buňky bez ztráty intenzity. Vždy je rozdíl v elektrostatickém potenciálu mezi vnitřkem a vnějškem buňky, tj. buňka je polarizovaná. Tento membránový potenciál je výsledkem distribuce iontů přes buněčnou membránu a selektivní propustnosti membrány pro tyto ionty. Napětí neaktivní buňky zůstává blízko klidového potenciálu s přebytečným záporným nábojem uvnitř buňky. Když se membrána excitovatelné buňky depolarizuje za prahem, buňka podstoupí akční potenciál (to „vystřelí“), často nazývaný „hrot“ (viz Práh a iniciace).
Akční potenciál je rychlá změna polarity napětí ze záporného na kladné a pak naopak, celý cyklus trvá v řádu milisekund. Každý cyklus – a tedy i každý akční potenciál – má stoupající fázi, klesající fázi a nakonec podstřelení (viz Fáze). Ve specializovaných svalových buňkách srdce, jako jsou buňky kardiostimulátoru, může fázi poklesu předcházet fáze plató středního napětí, která prodlužuje trvání akčního potenciálu na stovky milisekund.
Akční potenciál nebydlí na jednom místě membrány buňky, ale putuje podél membrány (viz Propagace). Může putovat podél axonu na dlouhé vzdálenosti, například přenášet signály z míchy do svalů chodidla. Po putování po celé délce axonu dosáhne akční potenciál synapse, kde stimuluje uvolňování neurotransmiterů. Tyto neurotransmitery mohou okamžitě vyvolat akční potenciál v dalším neuronu, aby signál šířily, ale reakce je obvykle složitější.
Rychlost i složitost akčních potenciálů se liší mezi různými typy buněk, ale jejich amplitudy bývají zhruba stejné. Uvnitř každé buňky jsou po sobě jdoucí akční potenciály obvykle nerozeznatelné. Má se za to, že neurony přenášejí informace generováním sekvencí akčních potenciálů zvaných „spike trains“. Různou rychlostí i přesným načasováním akčních potenciálů, které generují, mohou neurony měnit informace, které přenášejí.
Lokální depolarizace membrány způsobená excitačním stimulem způsobí otevření některých napěťově řízených sodíkových kanálů v membráně axonového pahorku, což způsobí čistý vnitřní pohyb sodíkových iontů kanály podél jejich elektrochemického gradientu. Tento pohyb sodíkových iontů přes membránu je příkladem usnadněné difúze. Protože jsou kladně nabité, vnitřní pohyb sodíkových iontů činí rozdíl potenciálu přes membránu méně negativním uvnitř. Tento počáteční vnitřní pohyb sodíkových iontů je upřednostňován jak negativním vnitřním membránovým potenciálem, tak koncentračním gradientem sodíkových iontů přes membránu (méně sodíku uvnitř). Pohyb jednotlivých sodíkových iontů zahrnuje mnoho náhodných molekulárních kolizí a v každém konkrétním okamžiku může sodíkový iont postupovat směrem ven, ale čistý pohyb sodíku je směrem dovnitř, jak určuje elektrochemický gradient.
Depolarizace („Rising phase“)
Jak vstupují sodíkové ionty a membránový potenciál se stává méně negativním, otevírá se více sodíkových kanálů, což způsobuje ještě větší příliv sodíkových iontů. To je příklad pozitivní zpětné vazby. Jak se otevírá více sodíkových kanálů, sodíkový proud dominuje nad draslíkovým únikovým proudem a membránový potenciál se uvnitř stává pozitivním. Nedávné experimenty na kortikálních neuronech naznačují, že sodíkové kanály se otevírají kooperativně, což umožňuje mnohem rychlejší vychytávání, než je možné pro dynamiku Hodgkinova-Huxleyho typu.
V době, kdy membránový potenciál dosáhne maximální hodnoty kolem +50 mV, se již začaly uzavírat na čase závislé inaktivační brány na sodíkových kanálech, čímž se snížil a nakonec zabránilo dalšímu přílivu sodíkových iontů. V době, kdy k tomu dochází, se začnou otevírat napěťově citlivé aktivační brány na napěťově řízených draslíkových kanálech.
Je důležité si uvědomit, že jen velmi málo iontů skutečně prochází membránou v kterémkoli stádiu akčního potenciálu. Nedochází k žádnému „přívalu“ sodíku do buňky; hrubé intracelulární a extracelulární koncentrace sodíku a draslíku se během akčního potenciálu mění tak málo, že jsou zanedbatelné. Místo toho dochází ke změně polarity membrány v důsledku permeability pro sodík, PNa, která se výrazně zvyšuje prostřednictvím popsaného pozitivního systému zpětné vazby (depolarizace způsobuje otevření napěťově řízených sodíkových kanálů, takže membrána se stává více depolarizovanou atd.). Zvýšení PNa vzhledem k permeabilitě pro draslík (PK) ovlivňuje napětí, protože zvedá membránový potenciál směrem k potenciálu rovnovážného pro sodík (ENa), který je přibližně +55 mV.
To lze měřit kvantitativně pomocí Goldmanovy rovnice,
Koncentrace Na a K uvnitř a vně buňky se příliš nemění, ale hodnoty PNa a PK se výrazně mění a právě to mění hodnotu pro V.
Repolarizace („Falling phase“)
Při otevírání draslíkových kanálů řízených napětím dochází k velkému pohybu draslíkových iontů směrem ven, který je řízen gradientem koncentrace draslíku a zpočátku zvýhodňován pozitivním vnitřním elektrickým gradientem. Při difúzi draslíkových iontů směrem ven způsobuje tento pohyb pozitivního náboje reverzi membránového potenciálu směrem k negativnímu vnitřnímu a repolarizaci neuronu zpět směrem k velkému negativnímu vnitřnímu klidovému potenciálu.
Opět platí, že není to pohyb draselných iontů, co mění membránové napětí. Je to hodnota pro PK, která stoupá nad hodnotu pro PNa, táhne membránové napětí zpět k rovnovážné konstantě pro draslík (kolem -70 mV) (viz Goldmanova rovnice konstantního pole).
Hyperpolarizace („Undershoot“)
Uzavření draslíkových kanálů řízených napětím je závislé jak na napětí, tak na čase. Když draslík opouští buňku, výsledná repolarizace membrány iniciuje uzavření draslíkových kanálů řízených napětím. Tyto kanály se neuzavírají okamžitě v reakci na změnu membránového potenciálu; spíše draslíkové kanály řízené napětím (také nazývané draslíkové kanály řízeného zpožděného usměrňovače) mají zpožděnou odezvu, takže draslík z buňky proudí i poté, co se membrána plně repolarizuje. Membránový potenciál tak na krátký okamžik klesne pod normální klidový membránový potenciál buňky; tento pokles hyperpolarizace je známý jako podstřel.
Existuje obecná mylná představa, že pumpa Na+/K+ obnovuje klidový potenciál během fáze poklesu akčního potenciálu tím, že aktivně pumpuje Na+ ven a K+ do neuronu. To (spolu s mylnou představou, že sodík „zaplavuje“ buňku, aby způsobil akční potenciál) není správné. Na+/K+/ATPáza (jiný název pro pumpu) nakonec udržuje klidový potenciál tím, že udržuje koncentrační gradienty pro Na a K, ale činí tak na mnohem pomalejší časové škále; dny na rozdíl od milisekund. Během fáze poklesu akčního potenciálu je klidový potenciál obnoven výhradně tím, že PK stoupá, aby byl opět mnohem větší než PNa (tj. propustnost membrány pro draslík výrazně převyšuje její propustnost pro sodík, čímž se membránový potenciál vrací zpět směrem k EK (rovnovážný potenciál draslíku). Časový průběh role Na+/K+/ATPázy při udržování klidových potenciálů lze prokázat tím, že jed Ouabain inaktivuje Na+/K+/ATPázu, přesto lze stále vystřelit mnoho tisíc akčních potenciálů, aniž by se výrazně snížily koncentrační gradienty.
Graf proudu (iontového toku) proti napětí (transmembránovému potenciálu) znázorňuje práh akčního potenciálu (červená šipka) idealizované buňky.
Akční potenciály se spouští, když počáteční depolarizace dosáhne prahové hodnoty. Tento prahový potenciál se liší, ale obecně je asi o 15 milivoltů pozitivnější než klidový membránový potenciál buňky, k čemuž dochází, když vnitřní sodíkový proud překročí vnější draselný proud. Čistý příliv pozitivních nábojů nesených sodíkovými ionty depolarizuje membránový potenciál, což vede k dalšímu otevírání napěťově řízených sodíkových kanálů. Tyto kanály podporují větší vnitřní proud způsobující další depolarizaci, čímž se vytváří cyklus pozitivní zpětné vazby, který žene membránový potenciál na velmi depolarizovanou úroveň.
Práh akčního potenciálu lze posunout změnou rovnováhy mezi sodíkovým a draselným proudem. Pokud jsou například některé sodíkové kanály v inaktivovaném stavu, pak daná úroveň depolarizace otevře méně sodíkových kanálů a ke spuštění akčního potenciálu bude zapotřebí větší depolarizace. To je základ pro refrakterní periodu.
Akční potenciály jsou do značné míry dány souhrou mezi sodíkovými a draselnými ionty (i když jsou zde menší příspěvky jiných iontů, jako je vápník a chlorid) a jsou často modelovány pomocí hypotetických článků obsahujících pouze dva transmembránové iontové kanály (napěťově řízený sodíkový kanál a napěťově řízený draselný kanál). Původ prahu akčního potenciálu lze studovat pomocí I/V křivek (vpravo), které znázorňují proudy přes iontové kanály proti membránovému potenciálu buňky. (Všimněte si, že znázorněný I/V je „okamžitý“ proudový napěťový vztah. Představuje špičkový proud přes kanály při daném napětí před jakoukoli inaktivací (tj. ~ 1 ms po přechodu na toto napětí) pro Na proud. Nejvíce pozitivních napětí v tomto grafu je možné dosáhnout buňkou pouze umělými prostředky: napětím vyvolaným přístrojem s napěťovou svorkou).
Šipkami na obrázku jsou vyznačeny čtyři významné body v I/V křivce:
Práh akčního potenciálu je často zaměňován s „prahem“ otevření sodíkového kanálu. To je nesprávné, protože sodíkové kanály žádný práh nemají. Místo toho se otevírají v reakci na depolarizaci stochastickým způsobem. Depolarizace kanál ani tak neotevře, jako spíše zvyšuje pravděpodobnost jeho otevření. I při hyperpolarizovaných potenciálech se sodíkový kanál otevírá velmi zřídka. Práh akčního potenciálu navíc není napětí, při kterém se sodíkový proud stává významným; je to bod, kdy překračuje draselný proud.
Biologicky v neuronech depolarizace obvykle vzniká v dendritech u synapsí. V zásadě však může být akční potenciál iniciován kdekoliv podél nervového vlákna. Při svém objevu „živočišné elektřiny“ Luigi Galvani provedl nohu mrtvého žabího kopance jako za života dotykem skalpelu sedacího nervu, do kterého nechtěně přenesl záporný, staticko-elektrický náboj, čímž inicioval akční potenciál.
Obrázek 1: Zjednodušený pohled teorie kabelů na neuronální vlákno. Připojené RC obvody odpovídají přilehlým segmentům dendritového nebo (neaktivního) neuronu.
Příliv kladně nabitých iontů během akčního potenciálu mění napětí přes membránu z klidové hodnoty (-65 mV) na kladnou hodnotu (zhruba +40 mV), ale zpočátku pouze v blízkosti místa, kde byly iontové kanály otevřeny. Vnitřní cytosol má poměrně vysokou iontovou sílu, typicky 100 mM, a proto může vést elektřinu. Pokud se tedy vnitřní napětí mění podél délky neuronu, pak proud poteče z bodu vyššího napětí (řekněme +40 mV) do bodu nižšího napětí (řekněme klidového potenciálu -65 mV). Tento proud depolarizuje druhý bod, a pokud je dostatečně silný, vyvolá tam nový akční potenciál.
Tento tok proudu v axonu lze popsat pomocí teorie kabelů a jejich rozpracování, jako je například kompartmentální model. V jednoduché teorii kabelů je neuron považován za elektricky pasivní přenosový kabel, který je snadno popsán parciální diferenciální rovnicí
kde V(x,t) je napětí přes membránu v čase t a poloha x po celé délce neuronu, a kde λ a τ jsou charakteristické délkové a časové stupnice, na kterých se tato napětí v reakci na podnět rozpadají. Vzhledem k výše uvedenému schématu obvodů lze tyto stupnice určit z odporů a kapacit na jednotkovou délku
Pokud tedy snížíme kapacitanci cm, snížíme τ a tím urychlíme reakci neuronu na podnět. Podobně pokud snížíme „únikový“ proud zvýšením odporu membrány rm, konstanta prostorového rozkladu λ se prodlouží. Obou efektů lze dosáhnout zabalením axonu do tučné, nízkodielektrické látky, jako je myelin, který je tvořen Schwannovými buňkami. To umožňuje mnohem rychlejší axonální vedení mezi dobře oddělenými body, Ranvierovými uzly.
V neseyelinizovaných axonech se akční potenciály šíří jako interakce mezi pasivně se šířící depolarizací membrány a napěťově řízenými sodíkovými kanály. Když je jedna část buněčné membrány depolarizována natolik, že otevře napěťově řízené sodíkové kanály, vstupují sodíkové ionty do buňky usnadněnou difuzí. Jakmile se dostanou dovnitř, kladně nabité sodíkové ionty „postrkují“ přilehlé ionty dolů po axonu elektrostatickou repulzí (analogicky k principu za Newtonovou kolébkou) a odlákají negativní ionty pryč od přilehlé membrány. Výsledkem je, že vlna pozitivity se pohybuje dolů po axonu, aniž by se nějaký individuální iont pohyboval příliš daleko. Jakmile je přilehlá část membrány depolarizována, napěťově řízené sodíkové kanály v této části se otevřou a regenerují cyklus. Proces se opakuje po celé délce axonu s akčním potenciálem regenerovaným v každém segmentu membrány.
Akční potenciály se šíří rychleji v axonech s větším průměrem, jiné věci jsou si rovny. Obvykle se pohybují od 10 do 100 m/s. Hlavním důvodem je, že axiální odpor axonového lumenu je s většími průměry nižší, protože se zvyšuje poměr plochy průřezu a plochy povrchu membrány. Vzhledem k tomu, že plocha povrchu membrány je hlavním faktorem bránícím šíření akčního potenciálu v nemyelinizovaném axonu, zvýšení tohoto poměru je obzvláště účinný způsob zvýšení rychlosti vedení.
Extrémní příklad zvířete používajícího průměr axonu k urychlení vedení akčního potenciálu je nalezen u olihně atlantické. Obrovský axon olihně kontroluje stahy svalů spojené s únikovou reakcí dravce olihně. Tento axon může mít průměr více než 1 mm a je pravděpodobně adaptací umožňující velmi rychlou aktivaci únikového chování. Rychlost nervových impulzů v těchto vláknech patří k nejrychlejším v přírodě. Šilhavky jsou pozoruhodným příkladem organismů s nefyelinizovanými axony; první testy, které se pokusily určit mechanismus, jakým impulzy putují podél axonů, zahrnující detekci potenciálního rozdílu mezi vnitřkem a povrchem neuronu, provedli ve 40. letech Alan Hodgkin a Andrew Huxley pomocí obřích axonů olihně kvůli jejich relativně velkému průměru axonu. Hodgkin a Huxley získali v roce 1963 Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu za práci na elektrofyziologii nervových akčních potenciálů.
V autonomním nervovém systému savců jsou postgangliové neurony nemyelinizované. Malý průměr těchto axonů (asi 2 µ) má za následek rychlost šíření přibližně 1 m/s, na rozdíl od přibližně 18 m/s v myelinizovaných nervových vláknech srovnatelného průměru, čímž se zvýrazní vliv myelinizace na rychlost přenosu impulsů.
V myelinizovaných axonech je saltatorní vedení proces, při kterém se zdá, že akční potenciál skáče podél celé délky axonu a regeneruje se pouze v neizolovaných segmentech (Ranvierových uzlinách). Saltační vedení zvyšuje rychlost nervového vedení, aniž by se musel dramaticky zvětšovat průměr axonu.
Saltátní vodivost hrála důležitou roli ve vývoji větších a složitějších organismů, jejichž nervový systém musí rychle přenášet akční potenciály na větší vzdálenosti. Bez saltatorního vedení by rychlost vedení vyžadovala velké zvětšení průměru axonu, což by mělo za následek organismy s nervovým systémem příliš velkým pro jejich tělo.
Hlavní překážkou rychlosti vedení v nemyelinizovaných axonech je membránová kapacita. V elektrickém obvodu lze kapacitu kondenzátoru snížit zmenšením plochy průřezu jeho desek nebo zvětšením vzdálenosti mezi deskami. Nervový systém využívá myelin jako svou hlavní strategii ke snížení membránové kapacity. Myelin je izolační plášť ovinutý kolem axonů Schwannovými buňkami v periferním nervovém systému (PNS) a oligodendrocyty v neurogliích centrálního nervového systému (CNS), které zplošťují svou cytoplazmu a vytvářejí velké pláty tvořené převážně plazmovou membránou. Tyto pláty se obtáčejí kolem axonu a pohybují vodivými deskami (intra- a extracelulární tekutinou) dále od sebe, aby snížily membránovou kapacitu.
Výsledná izolace umožňuje rychlé (v podstatě okamžité) vedení iontů myelinizovaným segmentem axonu, ale zabraňuje regeneraci akčních potenciálů prostřednictvím těchto segmentů. Akční potenciály se regenerují pouze v nemyelinizovaných uzlech Ranviera, které jsou přerušovaně rozmístěny mezi myelinizovanými segmenty. Množství napěťově řízených sodíkových kanálů na těchto holých segmentech (až o tři řády větší než jejich hustota v nemyelinizovaných axonech) umožňuje efektivní regeneraci akčních potenciálů v uzlech Ranviera.
V důsledku myelinizace se izolovaná část axonu chová jako pasivní drát: rychle vede akční potenciály, protože membránová kapacita je nízká, a minimalizuje degradaci akčních potenciálů, protože membránová odolnost je vysoká. Když tento pasivně šířený signál dosáhne Ranvierova uzlu, iniciuje akční potenciál, který následně pasivně putuje do dalšího uzlu, kde se cyklus opakuje.
Délka myelinizovaných segmentů axonu je důležitá pro saltatorní vedení. Měly by být co nejdelší, aby se maximalizovala délka rychlého pasivního vedení, ale ne tak dlouhé, aby rozklad pasivního signálu byl příliš velký na to, aby dosáhl prahu v dalším Ranvierově uzlu. Ve skutečnosti jsou myelinizované segmenty dostatečně dlouhé na to, aby pasivně šířený signál putoval alespoň po dva uzly a přitom si zachoval dostatečnou amplitudu na to, aby vystřelil akční potenciál ve druhém nebo třetím uzlu. Bezpečnostní faktor saltatorního vedení je tedy vysoký, což umožňuje přenos do bypassových uzlů v případě poranění.
Některá onemocnění degradují kondukci soli a snižují rychlost kondukce akčního potenciálu. Nejznámější z těchto onemocnění je roztroušená skleróza, při které rozpad myelinu narušuje koordinovaný pohyb.
Tam, kde membrána prošla akčním potenciálem, následuje refrakterní perioda. I když by tedy pasivní přenos akčních potenciálů napříč myelinizovanými segmenty naznačoval, že se akční potenciály šíří v obou směrech, většina akčních potenciálů cestuje jednosměrně, protože uzel za množícím se akčním potenciálem je refrakterní.
Toto období vzniká především z důvodu časově závislé inaktivace sodíkových kanálů, jak ji popsali Hodgkin a Huxley v roce 1952. Bezprostředně po akčním potenciálu, během absolutní refrakterní periody, jsou prakticky všechny sodíkové kanály inaktivovány, a tudíž není možné v tomto segmentu membrány vypálit další akční potenciál.
Časem se sodíkové kanály znovu aktivují stochastickým způsobem. Jakmile se stanou dostupnými, je možné vypálit akční potenciál, i když s mnohem vyšším prahem. Jedná se o relativní refrakterní periodu a spolu s absolutní refrakterní periodou trvá přibližně pět milisekund.
Ukončení a následky
Akčnímu potenciálu postupujícímu podél membrány brání refrakterní perioda obrátit jeho směr a nakonec depolarizuje celou buňku. Když akční potenciál dosáhne oblasti, kde je celá buněčná membrána již depolarizována nebo je stále v refrakterní periodě, akční potenciál se již nemůže šířit. Protože se akční potenciál šíří pouze podél souvislé membrány, je nutný jiný mechanismus pro přenos akčních potenciálů mezi buňkami. Neurony spolu komunikují v chemické synapsi. Jiné typy buněk, například buňky srdečního svalu, mohou komunikovat akční potenciály prostřednictvím elektrických synapsí.
Synapse je velmi malá mezera mezi neurony, která umožňuje jednosměrnou komunikaci. Protože presynaptický neuron podléhá akčnímu potenciálu, otevřou se napěťově citlivé kalciové kanály a způsobí uvolnění neurotransmiterů do synapse. Tyto chemické transmitery mohou iniciovat akční potenciál v postsynaptickém neuronu, což umožňuje komunikaci mezi neurony. Některé neurotransmitery inhibují akční potenciály a interakce excitačních a inhibičních signálů umožňuje komplexní modulaci signálů v nervovém systému.
Akční potenciál, jako metoda dálkové komunikace, odpovídá konkrétní biologické potřebě, kterou lze nejsnáze pozorovat při zvažování přenosu informací podél nervového axonu. Pro přesun signálu z jednoho konce axonu na druhý se musí příroda potýkat s fyzikou podobnou té, která řídí pohyb elektrických signálů podél drátu. Vzhledem k odporu a kapacititě drátu mají signály tendenci degradovat, když putují podél tohoto drátu na dálku. Tyto vlastnosti, souhrnně známé jako vlastnosti kabelu, nastavují fyzikální limity, přes které mohou signály putovat. Nenapínavé neurony (které přenášejí signály bez akčních potenciálů) tak bývají malé. Správná funkce těla vyžaduje, aby signály byly předávány z jednoho konce axonu na druhý bez ztráty. Akční potenciál se nešíří ani tak podél axonu, jako je nově regenerován membránovým napětím a proudem v každém úseku membrány podél jeho dráhy. Jinými slovy, nervová membrána při své plné amplitudě znovu vytváří akční potenciál, čímž překonává omezení daná fyzikou kabelů.
Mnoho rostlin také vykazuje akční potenciály, které cestují přes jejich phloem ke koordinaci aktivity. Hlavní rozdíl mezi akčními potenciály rostlin a živočichů je ten, že rostliny primárně využívají draslíkové a vápenaté proudy, zatímco živočichové typicky využívají proudy draslíku a sodíku.
Model šíření elektrického signálu v neuronech využívajících napěťově řízené iontové kanály popsaný výše je akceptován téměř všemi vědci pracujícími v této oblasti. Je však několik pozorování, která nejsou s tímto modelem snadno slučitelná:
Jedna z posledních alternativ, solitonový model, se pokouší vysvětlit signály v neuronech jako tlakové (nebo zvukové) solitony putující podél membrány, doprovázené změnami elektrického pole vyplývajícími z piezoelektrických efektů.
Akční potenciály se měří záznamovými technikami elektrofyziologie a v poslední době neuročipy obsahujícími EOSFETy. Osciloskop zaznamenávající membránový potenciál z jednoho bodu na axonu ukazuje každou fázi akčního potenciálu při průchodu vlny. Tyto fáze sledují oblouk, který se podobá deformované sinusové vlně; její amplituda závisí na tom, zda vlna akčního potenciálu dosáhla tohoto bodu na membráně nebo ho minula a pokud ano, jak je to dlouho.
Akční potenciál se vyznačuje pozitivní i negativní zpětnou vazbou a za stálé stimulace tvoří jakýsi blokovací oscilátor. Byly navrženy různé sady nelineárních rovnic, které mají modelovat akční potenciál, pomoci pochopit jeho fyziologické chování a studovat ho jako dynamický systém, zejména jeho bifurkační vlastnosti a entrainment chování.
Nejvíce fyziologicky přesné rovnice jsou rovnice Alana Lloyda Hodgkina a Andrewa Huxleyho; Tyto rovnice je však obtížné studovat systematicky a vyčerpávajícím způsobem, jsou nelineární a mají čtyři rozměry: transmembránové napětí V a pravděpodobnost, že m, n a h sodíkových a draselných iontových kanálů jsou otevřené nebo inaktivované. Napěťová rovnice je jednoznačně nelineární
kde Iext je vnější proudový stimul. Naproti tomu dynamika pravděpodobnosti se zdá být pseudo-první-autor, např.,
a analogicky pro n a h‘; funkce f(θ) zachycuje jejich teplotní závislost. Nicméně koeficienty α a β jsou silně (exponenciálně) závislé na transmembránovém napětí V. Nejjednodušší způsob, jak studovat takto složité dynamické systémy, je vzít v úvahu jejich chování v blízkosti pevného bodu. Tato analýza ukazuje, že Hodgkinův-Huxleyův systém prochází přechodem od stabilního rozpadu k rovnováze k oscilacím, jak se stimulující proud zvyšuje nad prahem; zajímavé je, že systém se stává opět stabilním při mnohem větších vnějších proudech.
Proto byla vyvinuta různá zjednodušení Hodgkinových-Huxleyových rovnic, která vykazují kvalitativně podobné chování. Fitzhughův-Nagumův model je kanonickým příkladem takových zjednodušených systémů. Na základě tunelové diody má model FHN pouze dva rozměry, ale vykazuje podobné chování stability.
Model FHN je podobný jiným modelům akčního potenciálu „flush and fill“, základní myšlenkou je, že neuronální membrána integrovala vstupní proud, dokud akumulovaný náboj nepřekročí prahové napětí, čímž iniciuje další akční potenciál.
A. Základní RC obvod překrytý obrazem membránové dvouvrstvy ukazuje vztah mezi nimi. B. Propracovanější obvody mohou být použity k modelování membrán obsahujících iontové kanály, jako je tento, který obsahuje v kanálech sodík (modrý) a draslík (zelený).