Eşik potansiyeli - Threshold potential

A. İdealleştirilmiş bir aksiyon potansiyelinin şematik bir görünümü, aksiyon potansiyeli bir hücre zarı üzerinde bir noktadan geçerken onun çeşitli aşamalarını gösterir . B. Kayıt yapmak için kullanılan elektrofizyolojik tekniklerdeki farklılıklar nedeniyle, aksiyon potansiyellerinin gerçek kayıtları, şematik görünüme kıyasla sıklıkla bozulur .

Gelen Elektrofizyoloji , eşiği potansiyelinde bir olan için kritik düzey membran potansiyeli olması gerekir depolarize bir başlatmak için aksiyon potansiyeli . Olarak nörolojik , başlangıç potansiyelleri, düzenleyen ve hem de sinyal yaymak için gerekli olan merkezi sinir sistemi (CNS) ve periferal sinir sisteminde (PNS).

Çoğu zaman, eşik potansiyeli –50 ile –55 mV arasında bir membran potansiyel değeridir , ancak birkaç faktöre bağlı olarak değişebilir. Bir nöronun dinlenme zar potansiyeli (–70 mV), sodyum ve potasyum iyonları yoluyla eşiğe ulaşma olasılığını artırmak veya azaltmak için değiştirilebilir . Açık, voltaj kapılı sodyum kanalları yoluyla hücreye bir sodyum akışı , zarı eşiği aşarak depolarize edebilir ve böylece onu uyarabilirken, bir potasyum akışı veya klorür akışı hücreyi hiperpolarize edebilir ve böylece eşiğe ulaşılmasını engelleyebilir.

keşif

İlk deneyler, nöronlarda meydana gelen herhangi bir elektriksel değişikliğin iyonların etkisiyle gerçekleşmesi gerektiği kavramı etrafında dönüyordu. Alman fiziksel kimyager Walther Nernst, bu kavramı sinirsel uyarılabilirliği keşfetmek için deneylerde uyguladı ve yarı geçirgen bir zar yoluyla yerel uyarıcı sürecin iyonik konsantrasyona bağlı olduğu sonucuna vardı. Ayrıca, iyon konsantrasyonunun uyarmada sınırlayıcı faktör olduğu gösterilmiştir. Uygun iyon konsantrasyonuna ulaşılırsa, kesinlikle uyarma gerçekleşir. Bu, eşik değerini keşfetmenin temeliydi.

Alan Lloyd Hodgkin ve Andrew Huxley , 1950'lerde aksiyon potansiyelini yeniden yapılandırmanın yanı sıra, uyarılma eşiğinin arkasındaki mekanizmayı deneysel olarak belirlemeyi başardılar. Hodgkin-Huxley modeli olarak bilinir . Kullanılmasıyla voltaj kıskacı kalamar dev akson çeşitli teknikleri, bu keşfetti uyanlabilir doku , genel olarak, belirli bir zar potansiyeli, bir eylem potansiyelini ateşleyeceği için ulaşılabilir olması gerektiğini fenomeni sergiler. Deney, iyonik iletkenlik değişikliklerinin gözlemlenmesi yoluyla sonuçlar verdiğinden, Hodgkin ve Huxley, eşik potansiyelini tartışmak için bu terimleri kullandılar. Başlangıçta, sodyum veya potasyumun iletkenliğinde bir süreksizlik olması gerektiğini öne sürdüler, ancak gerçekte her iki iletkenlik de zar potansiyeli ile birlikte düzgün bir şekilde değişme eğilimindeydi.

Yakında, eşik potansiyelinde, sırasıyla sodyum ve potasyum iyonlarının içe ve dışa akımlarının tam olarak eşit ve zıt olduğunu keşfettiler. Dinlenme zar potansiyelinin aksine , eşik potansiyelinin koşulları, kararsız olan bir akım dengesi sergiledi. Kararsızlık, daha fazla depolarizasyonun daha fazla voltaj kapılı sodyum kanalını aktive etmesi ve gelen sodyum depolarize edici akımın, potasyumun gecikmeli dışa akımının üstesinden gelmesi anlamına gelir. Dinlenme seviyesinde ise, potasyum ve sodyum akımları, ani, sürekli bir iyon akışının meydana gelmemesi gereken dengeli bir şekilde eşit ve zıttır. Temel şudur ki, belirli bir depolarizasyon seviyesinde, akımlar dengesiz bir şekilde eşit ve zıt olduğunda, daha fazla pozitif yük girişi bir aksiyon potansiyeli oluşturur. Bu spesifik depolarizasyon değeri (mV cinsinden), eşik potansiyeli olarak da bilinir.

Fizyolojik fonksiyon ve özellikler

Eşik değeri, gelen uyaranların aksiyon potansiyeli oluşturmak için yeterli olup olmadığını kontrol eder. Gelen engelleyici ve uyarıcı uyaranların dengesine dayanır. Uyaranların ürettiği potansiyeller toplamsaldır ve frekans ve genliklerine bağlı olarak eşiklere ulaşabilirler. Merkezi sinir sisteminin normal işleyişi, büyük ölçüde bir nöronun dendritik ağacına yapılan sinaptik girdilerin bir toplamını gerektirir. Öncelikle dış uyaranlarla ilişkili olan bu yerel dereceli potansiyeller, akson başlangıç ​​segmentine ulaşır ve eşik değerine ulaşmayı başarana kadar oluşur. Uyarıcı ne kadar büyük olursa, depolarizasyon o kadar büyük olur veya eşiğe ulaşma girişimi o kadar büyük olur . Depolarizasyon görevi, hücrenin anatomik faktörlerine dayanan birkaç anahtar adım gerektirir. İlgili iyon iletkenlikleri, zar potansiyeline ve ayrıca zar potansiyeli değiştikten sonraki zamana bağlıdır.

Dinlenme membran potansiyeli

Çift katlı fosfolipid ve hücre zarı iyonları yüksek seviyede geçirgen olmayan, tek başına, bir. Hücre zarının tam yapısı, lipid çift tabakasına gömülü veya tamamen geçen birçok protein içerir. Bu proteinlerin bazıları, iyonların, iyon kanallarının oldukça spesifik geçişine izin verir . Sızan potasyum kanalları, potasyumun hücre içindeki (yüksek konsantrasyon) ve hücre dışındaki (düşük) konsantrasyonlarındaki eşitsizliğe yanıt olarak potasyumun zardan akmasına izin verir. Potasyum(K+) iyonlarının pozitif(+) yüklerinin hücrenin içinden kaybı, zarın hücre dışı yüzeyine kıyasla orada negatif bir potansiyel ile sonuçlanır. Hücreye çok daha küçük bir sodyum (Na+) "sızıntısı", gerçek dinlenme potansiyelinin, yaklaşık –70 mV, tek başına K+ için hesaplanan potansiyelden daha az negatif olmasıyla sonuçlanır, denge potansiyeli, yaklaşık –90 mV. Sodyum-potasyum ATPase iki iyon konsantrasyonu muhafaza hem de voltaj polarizasyon koruyarak, hücre dışına hücre ve sodyum (3 iyonlar) içine potasyum (2 iyonlar) geri pompalar zarı içinde aktif taşıyıcıdır.

depolarizasyon

Bununla birlikte, bir uyaran voltaj kapılı sodyum kanallarını açmak için aktive ettiğinde, pozitif sodyum iyonları hücreye taşar ve voltaj yükselir. Bu süreç ayrıca ligand kapılı bir kanala bağlanan ligand veya nörotransmitter tarafından başlatılabilir . İçeriye göre hücrenin dışında daha fazla sodyum bulunur ve hücre içindeki pozitif yük, potasyum iyonlarının gecikmeli doğrultucu voltaj kapılı potasyum kanallarından dışarı akışını sağlar. Hücre zarındaki potasyum kanalları geciktiğinden, daha fazla sodyum girişi, giderek daha fazla voltaj kapılı sodyum kanalını aktive eder. Eşiğin üzerindeki depolarizasyon, sodyumun içeri doğru hareketi için potasyum hareketini hemen dışarı doğru bastırmak için yeterli Na'nın iletkenliğinde bir artışla sonuçlanır. Sodyum iyonlarının akışı eşiğe ulaşamazsa, sodyum iletkenliği, dinlenme potasyum iletkenliğini geçersiz kılmak için yeterli miktarda artmaz. Bu durumda, bazı nöron tiplerinde eşik altı membran potansiyeli salınımları gözlenir. Başarılı olursa, pozitif yükün ani akışı zarı depolarize eder ve potasyum hücrenin yeniden kurulmasında veya hiperpolarize edilmesinde gecikir. Sodyum akışı, hücrenin içini dışarıya göre daha pozitif hale getirmek için kendi denge potansiyelini (yaklaşık +52 mV) oluşturma girişiminde hücreyi depolarize eder.

Varyasyonlar

Eşik değeri birçok faktöre göre değişiklik gösterebilir. Sodyum veya potasyumun iyon iletkenliklerindeki değişiklikler, eşik değerinin yükselmesine veya düşmesine neden olabilir. Ek olarak, aksonun çapı, voltajla aktive olan sodyum kanallarının yoğunluğu ve akson içindeki sodyum kanallarının özellikleri, eşik değerini etkiler. Tipik olarak akson veya dendritte, önceki bir uyarıdan kaynaklanan küçük depolarize edici veya hiperpolarize edici sinyaller vardır. Bu sinyallerin pasif yayılımı, hücrenin pasif elektriksel özelliklerine bağlıdır. Sinyaller, ancak hücrenin zar direncini ve kapasitansını geçecek kadar güçlüyse, daha aşağılarda bir aksiyon potansiyeline neden olmak için nöron boyunca devam edebilir. Örneğin, büyük çaplı bir nöron, zarında daha küçük bir hücreden daha fazla iyonik kanala sahiptir ve bu da iyonik akımın akışına karşı daha düşük bir dirençle sonuçlanır. Akım daha az dirençli bir hücrede daha hızlı yayılır ve nöronun diğer bölümlerinde eşiğe ulaşma olasılığı daha yüksektir.

Eşik potansiyelinin, sodyum kanal yoğunluğunu düzenleyerek ve aynı zamanda bu sodyum kanallarını genel olarak etkisiz hale getirerek giriş özelliklerindeki yavaş değişikliklere uyum sağladığı deneysel olarak gösterilmiştir. Gecikmeli doğrultucu potasyum kanalları tarafından hiperpolarizasyon , eşiğe ulaşmayı çok daha zorlaştıran göreceli bir refrakter periyoduna neden olur . Gecikmeli doğrultucu potasyum kanalları, hızlı aktive olan sodyum kanallarına kıyasla farklı bir voltaj uyarısında açıldıkları aksiyon potansiyelinin geç dışa doğru fazından sorumludur. Potasyumun konsantrasyon gradyanını hücrenin içinden dışına doğru akmasına izin vererek ve açarak zar boyunca iyon dengesini düzeltir veya onarırlar. Aynı zamanda yavaş kapanırlar ve gerekli dengeyi aşan bir pozitif yük akışı ile sonuçlanırlar. Hücrede aşırı negatiflik ile sonuçlanır, aşırı derecede büyük bir uyaran gerektirir ve bir tepkiye neden olmak için depolarizasyona neden olur.

izleme teknikleri

Eşik izleme teknikleri, sinir uyarılabilirliğini test eder ve aksonal membranların özelliklerine ve stimülasyon bölgelerine bağlıdır. Membran potansiyeline ve bu potansiyeldeki değişikliklere son derece duyarlıdırlar . Bu testler, bir kontrol eşiğini (veya dinlenme eşiğini), ortamdaki bir değişiklik, önceki tek bir darbe, bir darbe dizisi veya bir alt eşik akımı tarafından üretilen bir eşik ile ölçebilir ve karşılaştırabilir. Eşikteki ölçüm değişiklikleri, membran potansiyelindeki, aksonal özelliklerdeki ve/veya miyelin kılıfının bütünlüğündeki değişiklikleri gösterebilir .

Eşik izleme, maksimum sinir veya kas potansiyelinin tanımlanmış bir fraksiyonunu etkinleştirmek için bir test uyaranının gücünün bir bilgisayar tarafından ayarlanmasına izin verir. Bir eşik izleme deneyi, bir sinire düzenli aralıklarla uygulanan 1 ms'lik bir uyarıdan oluşur. Aksiyon potansiyeli, tetikleyici darbeden aşağı akış yönünde kaydedilir. Uyaran, yanıt hedefin altına düşene kadar (aksiyon potansiyeli oluşumu) belirli bir yüzdelik adımlarla otomatik olarak azaltılır. Bundan sonra, bir dinlenme (veya kontrol) eşiği belirlenene kadar önceki yanıtın hedef yanıttan daha az veya daha büyük olmasına bağlı olarak uyaran artırılır veya azaltılır. Sinir uyarılabilirliği daha sonra sinir ortamı değiştirilerek veya ek akımlar uygulanarak değiştirilebilir. Tek bir eşik akımının değeri, denekler içinde ve arasında değiştiği için çok az değerli bilgi sağladığından, kontrol eşiğini refrakterlik, süpernormallik, dayanıklılık-süresi zaman sabiti veya "eşik elektrotonus" tarafından üretilen eşiklerle karşılaştırmak, eşik ölçümleri çiftleri daha faydalıdır. bilimsel ve klinik çalışmada.

İzleme eşiği, sabit uyaran yöntemi gibi diğer elektrofizyolojik tekniklere göre avantajlara sahiptir . Bu teknik, %200'lük dinamik bir aralık içinde eşik değişikliklerini izleyebilir ve genel olarak diğer testlerden daha fazla aksonal özellikler hakkında bilgi verir. Ayrıca, bu teknik, eşikteki değişikliklere, matematiksel olarak bir yüzdeye dönüştürüldüğünde, tek lifli ve çok lifli preparatları, farklı nöronal bölgeleri ve farklı türlerde sinir uyarılabilirliğini karşılaştırmak için kullanılabilen nicel bir değer verilmesine izin verir.

"Eşik elektrotonusu"

Spesifik bir eşik izleme tekniği, bir zar içinde uzun süreli eşik altı depolarize edici veya hiperpolarize edici akımlar üretmek için eşik izleme kurulumunu kullanan eşik elektrotonusudur . Bu uzun süreli akımlar oluşturularak hücre uyarılabilirliğindeki değişiklikler gözlemlenebilir ve kaydedilebilir. Geniş depolarizasyon sırasında eşik düşüşü belirgindir ve yaygın hiperpolarizasyon ile eşik artışı belirgindir. Hiperpolarizasyon ile, potasyum kanallarının kapanması nedeniyle internodal membranın direncinde bir artış olur ve sonuçta ortaya çıkan arsa "havalanır". Depolarizasyon, potasyum kanallarını aktive ederek zıt bir etkiye sahiptir ve "hayranları olan" bir arsa üretir.

Eşik elektrotonusunu belirleyen en önemli faktör membran potansiyelidir, bu nedenle eşik elektrotonusu membran potansiyeli indeksi olarak da kullanılabilir. Ayrıca, bu koşulların eşik potansiyeli üzerindeki etkilerini deneysel olarak görüntülenen etkilerle karşılaştırarak önemli tıbbi durumların özelliklerini belirlemek için kullanılabilir. Örneğin, iskemi ve depolarizasyon, elektrotonus dalga biçimlerinin aynı "havalanma" etkisine neden olur. Bu gözlem, iskeminin potasyum kanallarının aşırı aktivasyonundan kaynaklanabileceği sonucuna götürür.

Klinik önemi

Eşik potansiyelinin rolü, klinik bir bağlamda, yani kardiyovasküler sistemin yanı sıra sinir sisteminin kendisinin işleyişinde yer almıştır.

Ateşli nöbetler

Bir ateşli nöbet veya "ateş fit" bir ilişkili bir konvülziyon olan vücut sıcaklığının önemli artış erken çocukluk çağında en sık görülen,. Tekrarlayan çocukluk çağı ateşli nöbet atakları, yetişkinlikte artan temporal lob epilepsisi riski ile ilişkilidir.

İle yama kelepçe kayıt, benzer bir durum çoğaltılan in vitro ateşli vücut sıcaklığı indüksiyonundan sonra sıçan kortikal nöronlarında; eşik potansiyelinde kayda değer bir düşüş gözlendi. Bu azalmanın mekanizması muhtemelen aşırı ısıya maruz kalma ile GABA B reseptörünün aracılık ettiği inhibisyonun baskılanmasını içerir .

ALS ve diyabet

Amyotrofik lateral skleroz ve diyabet hastalarında nöronal uyarılabilirlikte anormallikler kaydedilmiştir . Varyanstan nihai olarak sorumlu olan mekanizma iki koşul arasında farklılık gösterse de, iskemiye yanıt yoluyla yapılan testler, ironik bir şekilde, iskemiye ve sonuçta ortaya çıkan parestezilere benzer bir direnç gösterir. İskemi, sodyum-potasyum pompasının inhibisyonu yoluyla meydana geldiğinden, eşik potansiyelindeki anormallikler bu nedenle söz konusudur.

aritmi

1940'lardan beri, diyastolik depolarizasyon veya "kalp pili potansiyeli" kavramı yerleşik hale geldi; bu mekanizma, kalp dokusunun karakteristik bir ayırt edici özelliğidir. Eşiğe ulaşıldığında ve sonuçta ortaya çıkan aksiyon potansiyeli ateşlendiğinde, etkileşimlerden bir kalp atışı meydana gelir; ancak bu kalp atışı düzensiz bir zamanda meydana geldiğinde, aritmi olarak bilinen potansiyel olarak ciddi bir durum ortaya çıkabilir.

ilaç kullanımı

Çeşitli ilaçlar yan etki olarak QT aralığının uzamasını gösterebilir . Bu aralığın uzaması, sodyum ve kalsiyum kanalı inaktivasyonundaki gecikmenin bir sonucudur; uygun kanal inaktivasyonu olmadan, eşik potansiyeline zamanından önce ulaşılır ve bu nedenle aritmi ortaya çıkma eğilimi gösterir. Pro-aritmik ajanlar olarak bilinen bu ilaçlar arasında antimikrobiyaller, antipsikotikler, metadon ve ironik olarak antiaritmik ajanlar bulunur . Bu tür ajanların kullanımı yoğun bakım ünitelerinde özellikle sıktır ve bu tür hastalarda QT aralıkları uzadığında özel dikkat gösterilmelidir: uzayan QT aralıklarının bir sonucu olarak aritmiler, potansiyel olarak ölümcül olan torsades de pointes veya TdP'yi içerir.

Diyetin rolü

Diyet, aritmi riskinde bir değişken olabilir. Balık yağlarında ve çeşitli bitkisel yağlarda bulunan çoklu doymamış yağ asitleri , aritmilerin önlenmesinde rol oynar. Bu yağlar, voltaja bağlı sodyum akımını engelleyerek eşik potansiyelini daha pozitif bir değere kaydırır; bu nedenle, bir aksiyon potansiyeli artan depolarizasyon gerektirir. Bu ekstraktların klinik olarak terapötik kullanımı bir araştırma konusu olmaya devam etmektedir, ancak düzenli balık yağı tüketimi ile ciddi ve giderek yaygınlaşan bir aritmi olan atriyal fibrilasyon için daha düşük hastaneye yatış sıklığı arasında güçlü bir ilişki kurulmuştur.

Notlar

Referanslar

Dış bağlantılar