معلومة

لماذا لا يمكن بدء إمكانات العمل عند التشعبات؟


لماذا لا تبدأ جهود الفعل عند التشعبات ، على الرغم من أن التشعبات هي أول من يتلقى المدخلات من الخلية قبل المشبكية؟

في الواقع ، تكون إمكانات ما بعد المشبك المثيرة (EPSPs) عند التشعبات أصغر منها في جسم الخلية والمحاور.

بالنظر إلى حقيقة أن التشعبات لديها قنوات أيونية ذات جهد كافي كافٍ ، فلماذا لا يكون تدفق الكاتيون عبر هذه القنوات قادرًا على إزالة استقطاب التغصنات فوق العتبة وتوليد جهد فعل؟


تتم مناقشة الموقع الدقيق لتوليد إمكانات العمل ، وكذلك الآلية الفسيولوجية الأساسية (Colbert & Johnsten ، 1996). من المتفق عليه عمومًا أن موقع البدء يقع خارج سوما ، عند تلة المحور العصبي ، أو حتى أبعد من ذلك في الجزء الأولي من المحور العصبي.

السبب في موقع البدء المحوري البعيد لإمكانات العمل هو ، وفقًا لوجهة النظر الكلاسيكية ، أن كثافة Na+ القنوات ليست عالية بما يكفي في سوما، في حين أن الكثافة في الجزء الأولي من المحور العصبي أعلى وكافية إلى حد كبير. ومع ذلك ، فقد تم اقتراح أن عتبة عمل التوليد المحتمل أقل في الجزء الأول (Kole et al. ، 2008).

بخصوص أسئلتك في التعليقات:

  • لذا لا يمكن بدء إمكانات العمل في التشعبات والسوما بمساعدة VGCCs؟إجابة: لا ، كثافة القناة منخفضة جدًا ؛
  • ما هي القنوات المطلوبة لـ AP؟
    إجابة: في الأساس نا+ وك+ القنوات.
  • كيف يتم بدء إمكانات الفعل في محور عصبي ، على الرغم من أن المدخلات في التشعبات؟ لماذا لا يحدث ما يكفي من الاستقطاب في التشعبات والسوما؟
    إجابة: إما بسبب كثافة منخفضة من Na+ القنوات ، و / أو عتبة عمل أعلى (على سبيل المثال ، بسبب وجود K.+ القنوات في إزالة الاستقطاب في مكافحة سوما) ؛
  • كنتيجة طبيعية ، إذا لم يكن من الممكن حدوث قدر كافٍ من الاستقطاب عند التشعبات والسوما ، فكيف يتم إذًا نشره إلى المحور العصبي ، والذي يكون أكثر انخفاضًا تشريحيًا ، في الخلايا العصبية؟
    إجابة: إذا وصل EPSP إلى منطقة بها Na كافية+ في القنوات ، يصبح نزع الاستقطاب كافيًا لتنشيط كمية حرجة من الصوديوم+ القنوات التي تسبب زيادة كافية في إمكانات الغشاء للحفاظ على إمكانات فعل كاملة. على طول الطريق ، تسرب K.+ تقلل القنوات من إزالة الاستقطاب لذا من الضروري وجود كمية حرجة من القنوات ، وإلا فإن EPSP يموت.
  • ماذا عن تكاثر نقاط الوصول العكسي من أكسون المحوار إلى التشعبات؟ كيف يعقل ذلك؟
    إجابة: يُعتقد أن سوما والمنطقة التغصنية تمثل حملًا كهربائيًا كبيرًا جدًا لضمان الانتشار المحتمل للعمل في كل من الاتجاه التقويمي والاتجاه المعاكس للعرق. يمكن التغلب على عدم تطابق الممانعة هذا من أجل انتشار محتمل للعمل من المحور العصبي إلى المنطقة الشجرية الجسدية عندما يوفر الجزء الأولي وتراب المحور المحوري تيارًا إضافيًا. يمكن تحقيق ذلك بكثافة عالية من قنوات الصوديوم في تلك المنطقة (Lüscher & Larkum ، 1998).

مراجع
- كولبير وجونستن ، ياء نيوروسسي (1996), 16(21): 6676-86
- Kole et al.، Nature Neurosci (2008) ؛ 11: 178-86
- Lüscher & Larkum ، ياء نيوروفيسيول (1998); 80(2): 715-29


الوحدة 4 - الدرس 2: إمكانيات العمل

هذه الموجة من ____________ يتبعها على الفور ________________.

وتتبع موجة نزع الاستقطاب هذه على الفور عودة إلى حالة الراحة (عودة الاستقطاب).

تتطور هذه الموجة من إزالة الاستقطاب كنتيجة للفتح المتسلسل المتحكم فيه عن كثب للقنوات الأيونية المسورة ، والتي تسمح لأيونات الصوديوم والبوتاسيوم بعبور غشاء البلازما. هذه القنوات الأيونية هي بوابات الجهد أي أنها تستجيب للتغيرات في إمكانات الغشاء.

عادةً ، لا يخضع جزء الغشاء المثير حيث يتم إنتاج الجهود المتدرجة استجابةً لحدث مثير لإمكانات الفعل.

وبدلاً من ذلك ، فإن الجهد المتدرج ، بوسائل كهربائية أو كيميائية ، يؤدي إلى إزالة استقطاب الأجزاء المجاورة من الغشاء حيث يمكن أن تحدث جهود الفعل.

غالبًا ما يُشار إلى إمكانات الفعل على أنها ارتفاع ، نظرًا لمظهرها المسجل الشبيه بالارتفاع.
بدلاً من ذلك ، عندما يتم تشغيل الغشاء القابل للإثارة للخضوع لجهد فعل ، يُقال إنه يطلق النار.

(1) مغلق لكن قابل للفتح (بوابة التنشيط مغلقة ، بوابة التعطيل مفتوحة G
الشكل 4-7 أ)

(2) مفتوحة أو مفعلة (كلا البوابتين تفتحان G الشكل 4-7b) و

عندما يبدأ الغشاء في إزالة الاستقطاب نحو العتبة نتيجة لحدث مثير ، تفتح بوابات التنشيط لبعض قنوات Na ذات الجهد الكهربائي. الآن كلا بوابات هذه القنوات المفعلة مفتوحة. نظرًا لأن كلاً من التركيز والتدرجات الكهربائية لـ Na يفضلان حركته في الخلية ، يبدأ Na في التحرك.

(يصبح الغشاء _____ مرات أكثر نفاذاً لـ ____ بالنسبة لـ _____)

ومع ذلك ، فإن آليات البوابات المتوازنة بدقة لقنوات Na ذات الجهد الكهربائي المختلفة تفتح من خلال تغيرات مختلفة قليلاً في الجهد.

خلال مرحلة إزالة الاستقطاب المبكرة ، يتم فتح المزيد والمزيد من قنوات Na مع تناقص الإمكانات تدريجياً.
عند العتبة ، تم فتح عدد كافٍ من بوابات Na لإطلاق دورة التغذية الراجعة الإيجابية التي تؤدي على الفور إلى فتح بوابات Na المتبقية.

الآن تهيمن نفاذية Na على الغشاء ، على عكس سيطرة K في إمكانات الراحة.
وهكذا ، عند العتبة ، يندفع Na إلى الخلية ، مما يقضي بسرعة على السلبية الداخلية وحتى يجعل داخل الخلية أكثر إيجابية من الخارج في محاولة لدفع إمكانات الغشاء إلى إمكانات توازن Na (وهي 60 مللي فولت انظر ص. 79) (ز شكل 4-9 ، ص 94).

1. أي بوابة تغلق أولاً بوابة التفعيل أم بوابة التعطيل؟

أولاً ، يتم تشغيل بوابات التنشيط للفتح بسرعة استجابة لإزالة الاستقطاب ، وتحويل القناة إلى شكلها المفتوح (المنشط) (G الشكل 4-7 ب).

والمثير للدهشة أن فتح هذه القناة يبدأ عملية إغلاق القناة. يسمح التغيير المطابق الذي يفتح القناة أيضًا لكرة بوابة التعطيل بالارتباط بمستقبلها عند فتح القناة ، وبالتالي سد فم القناة فعليًا. ومع ذلك ، فإن عملية الإغلاق هذه تستغرق وقتًا ، لذلك يتم إغلاق بوابة التعطيل ببطء مقارنة بسرعة فتح القناة.

(1) الفتح السريع لبوابات التنشيط Na ، والتي تسمح لـ Na بالدخول ، وتحريك الإمكانات من العتبة إلى ذروتها الإيجابية

(2) الإغلاق البطيء لبوابات تعطيل Na ، مما يوقف دخول Na بعد تأخير زمني قصير ، وبالتالي يمنع الاحتمال من الارتفاع أكثر و

- & gt ماذا تفعل قنوات K +؟

دخل الصوديوم إلى الخلية خلال مرحلة الارتفاع ، وتركت كمية مماثلة من K خلال مرحلة السقوط. تعيد مضخة Na-K هذه الأيونات إلى مواقعها الأصلية على المدى الطويل ، ولكن ليس بعد كل جهد فعل.

تستغرق عملية الضخ النشطة وقتًا أطول بكثير لاستعادة Na و K إلى مواقعهما الأصلية أكثر مما تستغرقه التدفقات السلبية لهذه الأيونات أثناء جهد الفعل. ومع ذلك ، لا يحتاج الغشاء إلى الانتظار حتى تستعيد مضخة Na-K تدرجات التركيز ببطء قبل أن تخضع لإمكانية عمل أخرى.

لولا المضخة ، بالطبع ، حتى التدفقات الصغيرة المصاحبة لإمكانات الفعل المتكررة ستنخفض في نهاية المطاف & quot ؛ تدرجات التركيز بحيث تكون إمكانات العمل الإضافية مستحيلة.

1. فترة مقاومة مطلقة ، حيث يكون تحفيز المنطقة مستحيلاً بسبب زيادة نفاذية الصوديوم و

- & gt ما هي المنطقة التي تتم فيها إمكانية العمل.

يجب أن توجد آليات لإجراء أو نشر جهد الفعل في جميع أنحاء غشاء الخلية بأكمله.

علاوة على ذلك ، يجب أن تنتقل الإشارة من خلية إلى الخلية التالية (على سبيل المثال ، على طول مسارات عصبية محددة).

4 مناطق:
1. منطقة الإدخال: جزء حيث يتم استقبال الإشارات الواردة من النيوترونات الأخرى.

2. منطقة الزناد: الجزء الذي تبدأ فيه إمكانات العمل.

3. منطقة السلوك: الجزء الذي ينفذ إمكانات العمل بطريقة لا تنقص ، غالبًا عبر مسافات طويلة.

ومع ذلك ، يمكن للجهود المتدرجة ، قبل أن تتلاشى ، إطلاق إمكانات العمل في الأجزاء المجاورة من الغشاء عن طريق جلب هذه المناطق الأكثر حساسية إلى العتبة من خلال تدفق التيار المحلي المنتشر من موقع الجهد المتدرج.

1. ____________ التوصيل

يتم تحقيق هذا الاستقطاب من خلال تدفق التيار المحلي بين المنطقة التي تخضع بالفعل لإمكانية فعل والمنطقة غير النشطة المجاورة ، على غرار التدفق الحالي المسؤول عن انتشار الإمكانات المتدرجة. نظرًا لأن الشحنات المعاكسة تجتذب ، يمكن للتيار أن يتدفق محليًا بين المنطقة النشطة والمنطقة المجاورة غير النشطة على كل من الداخل والخارج من الغشاء.

يعمل تدفق التيار المحلي هذا على تحييد أو التخلص من بعض الشحنات غير المتوازنة في المنطقة غير النشطة - أي أنه يقلل من عدد الشحنات المعاكسة المنفصلة عبر الغشاء ، وبالتالي يقلل من الإمكانات في هذه المنطقة.

يؤدي تأثير إزالة الاستقطاب هذا بسرعة إلى وصول المنطقة غير النشطة إلى العتبة ، وفي ذلك الوقت يتم فتح قنوات Na ذات الجهد الكهربائي في هذه المنطقة من الغشاء ، مما يؤدي إلى إمكانية فعل في هذه المنطقة غير النشطة سابقًا.

يقف كل قسم من المتفرجين (مرحلة صعود جهد الفعل) ، ثم يجلس (مرحلة السقوط) بالتتابع ، واحدًا تلو الآخر ، بينما تتحرك الموجة حول الملعب. تنتقل الموجة ، وليس المتفرجون الفرديون ، حول الملعب. وبالمثل ، تنشأ إمكانات فعل جديدة بالتتابع أسفل المحور العصبي.

الجدول: مقارنة بين الإمكانات المتدرجة وإمكانات العمل:

- يتغير حجم التغيير المحتمل المتدرج مع حجم الحدث المحفز.

- تختلف المدة باختلاف مدة بدء الحدث.

- يتناقص حجم التوصيل التنازلي مع المسافة من الموقع الأولي.

- انتشار سلبي إلى المناطق المجاورة غير النشطة من الغشاء

- يمكن أن يكون الاستقطاب أو الاستقطاب المفرط.

- يحفزه المحفز ، عن طريق الجمع بين ناقل عصبي مع مستقبلات ، أو عن طريق التحولات التلقائية في دورة مضخة التسرب.

إمكانات متدرجة مقابل إمكانات العمل:

- ينتشر في جميع أنحاء الغشاء بطريقة لا تنقص

-الاستعادة الذاتية في المناطق المجاورة غير النشطة من الغشاء

-دائما إزالة الاستقطاب وعكس التغيرات

- يثيره نزع الاستقطاب إلى عتبة ، عادة من خلال انتشار الإمكانات المتدرجة

لاحظ من الشكل G الشكل 4-12 أنه بمجرد تجديد إمكانات الإجراء في موقع مجاور جديد (الآن إيجابي في الداخل) وعادت المنطقة النشطة الأصلية إلى حالة الراحة (مرة أخرى سلبية من الداخل) ، بالقرب من الشحنات المعاكسة بين هذين الاثنين تساعد المناطق على تدفق التيار المحلي الذي يحدث في الاتجاه الخلفي ، وكذلك في الاتجاه الأمامي إلى الأجزاء غير المستثارة حتى الآن من الغشاء.

خلال فترة المقاومة المطلقة ، لا يمكن للرقعة التي تم تنشيطها مؤخرًا من إمكانات العمل أن تبدأ إمكانات فعل أخرى بغض النظر عن مدى قوة تحفيزها.

خلال هذا الوقت ، تكون قنوات Na ذات الجهد الكهربائي أقل من المعتاد في وضع يسمح لها بفتحها بحدث مثير للاستقطاب.

في نفس الوقت ، لا يزال K يغادر من خلال قنواته البطيئة إلى الإغلاق أثناء فرط الاستقطاب.

يتم معارضة إدخال Na الأقل من المعتاد استجابة لحدث مثير آخر من خلال التسرب الخارجي المستمر المفرط الاستقطاب لـ K من خلال قنواته غير المغلقة بعد ، وبالتالي هناك حاجة إلى حدث تحفيز إزالة الاستقطاب أكبر من المعتاد لجلب الغشاء إلى العتبة خلال فترة المقاومة النسبية.

قانون الكل أو لا شيء: الغشاء القابل للإثارة إما يستجيب لمحفز بجهد عمل قصوى ينتشر بشكل غير تدريجي في جميع أنحاء الغشاء ، أو لا يستجيب بجهد فعل على الإطلاق.

تثير المنبهات الضعيفة والقوية نفس إمكانات الفعل ، لكن المنبهات الأقوى تثير المزيد من إمكانات العمل.
تحدث إمكانات الفعل بطريقة الكل أو لا شيء (بمجرد بدء جهد الفعل في جزء واحد من غشاء الخلية العصبية ، تنتشره دورة ذاتية الاستمرارية عبر بقية المحور العصبي).

والسبب في هذا التأثير هو أن التغيرات في الجهد أثناء جهد الفعل ناتج عن حركات الأيونات إلى أسفل التركيز والتدرجات الكهربائية ، وهذه التدرجات لا تتأثر بقوة الحدث المحفز لإزالة الاستقطاب.
لا ينتج حدث إثارة أقوى من حدث ضروري لجلب الغشاء إلى العتبة إمكانية عمل أكبر.

- كيف يمكن التفريق بين اثنين من المحفزات متفاوتة القوة عندما يقوم كلا المحفزين بإحضار الغشاء إلى العتبة وتوليد إمكانات فعل بنفس الحجم؟

على سبيل المثال ، كيف يمكن للمرء التمييز بين لمس جسم دافئ أو لمس جسم ساخن جدًا إذا كان كلاهما يحفز إمكانات فعل متطابقة في ألياف عصبية تنقل المعلومات حول درجة حرارة الجلد إلى الجهاز العصبي المركزي؟

بمجرد البدء ، تعتمد السرعة أو السرعة التي ينتقل بها جهد الفعل إلى أسفل المحور العصبي على عاملين:

- للجهاز العصبي المركزي؟

- للجهاز العصبي المحيطي؟

في الجهاز العصبي المركزي ، تشكل كل عملية من العمليات العديدة (& quotarms & quot) لخلايا قليلة التغصن المكونة للمايلين رقعة من المايلين حول ألياف عصبية منفصلة.

على النقيض من ذلك ، تحتوي الألياف غير الملقحة على كثافة عالية من قنوات الصوديوم ذات الجهد الكهربائي بطولها بالكامل. كما تعلم الآن ، لا يمكن توليد جهود الفعل إلا في أجزاء من الغشاء مزودة بوفرة من هذه القنوات.
المسافة بين العقد قصيرة بما يكفي بحيث يمكن للتيار المحلي أن يحدث بين العقدة النشطة والعقدة المجاورة غير النشطة قبل أن يموت.
عندما يحدث جهد فعل في عقدة واحدة ، فإن تدفق التيار المحلي بين هذه العقدة والعقدة المجاورة المشحونة معاكسة يقلل من قدرة العقدة المجاورة على العتبة بحيث تخضع لإمكانية فعل ، وما إلى ذلك.

نظرًا لأن تدفقات الأيونات المرتبطة بجهد الفعل محصورة في المناطق العقدية ، يجب أن تستعيد مضخة Na-K المستهلكة للطاقة عددًا أقل من الأيونات إلى جوانبها من الغشاء بعد انتشار جهد الفعل.

عندما يزداد قطر الألياف ، تقل مقاومة التيار المحلي. وبالتالي ، كلما زاد قطر الألياف ، يمكن نشر إمكانات العمل الأسرع.

على سبيل المثال ، يمتلك الحبار العملاق واحدًا من أكبر المحاور المعروفة (قطرها 1 مم) ، وأحد أسرع سرعات النبضات العصبية في مملكة الحيوان.

يجب إرسال إشارة إلى عضلات الهيكل العظمي لتنفيذ حركة معينة (على سبيل المثال ، لمنعك من السقوط أثناء التعثر في شيء ما) بسرعة أكبر من الإشارة لتعديل عملية الهضم البطيئة المفعول. بدون تكوّن النخاع ، يجب أن تكون أقطار المحاور داخل مسارات الأعصاب العاجلة كبيرة جدًا ومرهقة لتحقيق سرعات التوصيل اللازمة. في الواقع ، هذا هو الحال في العديد من اللافقاريات. في سياق تطور الفقاريات ، تم التغلب على الحاجة إلى ألياف عصبية كبيرة جدًا من خلال تطوير غمد المايلين ، مما يسمح بالتفرد الاقتصادي والسريع لمسافات طويلة.

- & gt يعتمد ما إذا كان تجديد محور عصبي مقطوع أم لا على ________ الخاص به

تبقى خلايا شوان نفسها وتشكل أنبوب تجديد لتوجيه الألياف العصبية المتجددة إلى وجهتها الصحيحة.

أثناء نمو الجنين ، يكون نمو الأعصاب في الجهاز العصبي المركزي ممكنًا حيث يتم تكوين الدماغ والحبل الشوكي. يتكهن الباحثون بأن مثبطات نمو الأعصاب ، التي يتم إنتاجها في وقت متأخر من نمو الجنين في أغلفة المايلين المحيطة بألياف العصب المركزي ، قد تعمل عادةً كحاجز & quot ؛ لمنع النهايات العصبية الجديدة من الشرود خارج مساراتها الصحيحة. وبالتالي قد يعمل العمل المثبط لنمو الخلايا الدبقية قليلة التغصن على استقرار البنية المعقدة للغاية للجهاز العصبي المركزي.

فيما يلي بعض خطوط البحث الحالية:

كان العلماء قادرين على إحداث تجديد كبير للأعصاب في الفئران ذات الحبال الشوكية المقطوعة عن طريق منع مثبطات نمو الأعصاب كيميائيًا ، وبالتالي السماح لمُعزِّزات نمو الأعصاب بتعزيز انتشار ألياف عصبية جديدة بكثرة في موقع الإصابة. تم التعرف مؤخرًا على أحد مثبطات نمو الأعصاب ، ويُدعى Nogo. يحاول الباحثون الآن تشجيع إعادة نمو المحوار في حيوانات التجارب المصابة بإصابات في النخاع الشوكي باستخدام جسم مضاد لـ Nogo.

يستخدم باحثون آخرون تجريبيًا ترقيع الأعصاب المحيطية لسد الخلل في موقع الحبل الشوكي المصاب. تحتوي هذه الطعوم على خلايا شوان المغذية ، والتي تطلق بروتينات تعزز نمو الأعصاب.

وهناك سبيل آخر واعد قيد الدراسة ، وهو زرع غرس شمي في الموقع المتضرر. يتم استبدال الخلايا العصبية الشمية ، وهي الخلايا التي تحمل معلومات حول الروائح إلى الدماغ ، بشكل منتظم ، على عكس معظم الخلايا العصبية. تدخل المحاور المتنامية لهذه الخلايا العصبية المولدة حديثًا إلى الدماغ لتشكيل اتصالات وظيفية مع الخلايا العصبية المناسبة في الدماغ. يتم تعزيز هذه القدرة من خلال الغلاف الدبقي الشمي الخاص ، والذي يلتف حول المحاوير الشمية وينميها. تشير الأدلة التجريبية المبكرة إلى أن نباتات هذه الخلايا الخاصة المكونة للمايلين قد تساعد في تحفيز تجديد محور عصبي في الجهاز العصبي المركزي.

وسيلة أخرى للأمل هي الاكتشاف الأخير للخلايا الجذعية العصبية (انظر الصفحات 6-7 و 138). قد تُزرع هذه الخلايا يومًا ما في النخاع الشوكي التالف ويتم إقناعها بالتكاثر والتمايز إلى خلايا عصبية وظيفية ناضجة ستحل محل الخلايا المفقودة.


مقدمة

الموقع الأكثر شيوعًا لإطلاق الناقل العصبي بين الخلايا العصبية هو في المحطات المشبكية الموجودة على طول أو في نهايات المحاور. ومع ذلك ، هناك عدد كبير من مناطق الدماغ حيث يحدث إطلاق جهاز الإرسال من التشعبات أو الزوائد التغصنية (للمراجعة ، انظر Kennedy and Ehlers، 2011). على الرغم من أن إطلاق المرسل المحوري قد تمت دراسته على نطاق واسع في دماغ الثدييات ، إلا أنه كان من الصعب دراسة إطلاق المرسل التغصني ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى صعوبة الحصول على التسجيلات الكهربائية من الهياكل التغصنية الدقيقة. المهاد هو أحد المناطق التي كان انتقال متشابك شجيري سائدًا ويمكن الوصول إليه من الناحية التجريبية.

في الثدييات ، يتم تمرير المعلومات المرئية من شبكية العين إلى القشرة البصرية بشكل رئيسي من خلال النواة الركبية الجانبية الظهرية للمهاد (LGNd). في ال LGNd ، تشكل الخلايا العقدية للشبكية نقاط الاشتباك العصبي المثيرة على الخلايا المهادية القشرية ، والتي بدورها تُسقط الطبقة 4 من القشرة البصرية. ومن المثير للاهتمام أن 5-10٪ فقط من النهايات الموجودة على الخلايا المهادية القشرية تأتي من الشبكية ، وهي المدخلات الحسية الأولية لهذه المنطقة (Erişir et al.، 1997b). تنشأ ما تبقى من جهات الاتصال على الخلايا المهادية القشرية من جذع الدماغ ، والطبقة 6 من القشرة البصرية ، والمهاد الشبكي ، والخلايا العصبية المثبطة داخل القشرة. يُعتقد أن هذه المشابك غير الشبكية تلعب دورًا في تشكيل استجابة الخلايا المهادية القشرية لمدخلات الشبكية. تكتسب الوصلات المثبطة (GABA) أهمية خاصة ، وتتكون من عصبونات دائرية محلية على المناطق القريبة من التشعبات المهادية القشرية. تورطت الخلايا العصبية الداخلية المثبطة في التحكم في توقيت الارتفاع الدقيق للخلايا المهادية القشرية لإثارة شبكية العين ، وفي تحسين الحقول المهادية القشرية (Sillito and Kemp ، 1983 Berardi and Morrone ، 1984 Guillery and Sherman ، 2002 Blitz and Regehr ، 2005). من الناحية القانونية ، سيتم تحقيق هذا التثبيط عن طريق توليد جهد فعل استجابة لمدخلات شبكية ، والتي من شأنها أن تنتشر على طول محور عصبي داخلي مما يتسبب في إطلاق حويصلي GABAergic من النهايات المحورية على التشعبات المهادية القشرية. ومع ذلك ، فإن العصبونات الثلاثية فريدة من نوعها من حيث أنها تعبر عن حويصلات GABAergic ليس فقط في النتوءات المحورية ، ولكن أيضًا في الزوائد التغصنية (Famiglietti، 1970 Famiglietti and Peters، 1972 Rafols and Valverde، 1973 Montero، 1986). يتم إجراء غالبية المشابك العصبية الداخلية في LGNd بواسطة هذه النتوءات التغصنية. بينما يتم التحكم عادةً في الإطلاق المحوري عن طريق الانتشار المحتمل للعمل في بوتونات طرفية ، فإنه ليس من المؤكد ما إذا كانت إمكانات الفعل يمكن أن تنتشر بالكامل في جميع أنحاء الشجرة التغصنية الداخلية لتعزيز إطلاق الحويصلة من الزوائد الشجرية. على الرغم من أن تجارب تصوير الكالسيوم قد اقترحت أن إمكانات عمل Na / K يمكن أن تنتشر في التشعبات لتعزيز عابر الكالسيوم (Acuna-Goycolea et al. ، 2008) ، فإن القياس المباشر لإمكانات عمل Na / K في التغصنات الداخلية تم منعه بواسطة عيار التغصنات الجميلة.

في دراستنا ، استخدمنا مزيجًا من تصوير صبغة حساسة للجهد (VSD) عالية الدقة الزمانية والمكانية لإثبات أن قطارات إمكانات العمل تنتشر بنشاط في جميع أنحاء التغصنات العصبية الداخلية بأكملها وفي الزوائد التغصنية. كان تنشيط قنوات Na + الحساسة للتيترودوتوكسين (TTX) ضروريًا للانتشار المحتمل لفعل شجيري ، بينما كانت قنوات K الحساسة لكلوريد رباعي إيثيل الأمونيوم (TEA) مهمة لإعادة الاستقطاب المحتمل للعمل الشجيري. على الرغم من التكاثر العكسي الفعال والموثوق لإمكانات الفعل في جميع أنحاء الشجرة التغصنية ، فشلت المدخلات المشبكية المحلية وحدها في بدء طفرات في التشعبات العصبية الداخلية. وبالتالي ، يمكن أن يؤدي توليد جهد فعل في الخلايا العصبية الداخلية المهادية إلى إشارة مثبطة سريعة وعالمية من خلال إطلاق GABA من كل من المحاور وكذلك المحطات التغصنية.


أساليب

أجريت التجارب على شرائح من البصيلات الشمية لجرذان سبراغ داولي كما هو موصوف سابقًا (Chen and Shepherd 1997). تم قطع المقاطع التي يبلغ سمكها 400 ميكرومتر أفقيًا وتم ترطيبها بمحلول رينجر المؤكسج الذي يحتوي (بالملي مولار) على 124 كلوريد الصوديوم ، و 3 بوكل ، و 1.3 ميكروغرام SO4، 2 كاكل2، 1.25 NaH2ص4، 26 ناهكو3، و 10 جلوكوز (الرقم الهيدروجيني 7.4). أجريت معظم التجارب في درجة حرارة الغرفة ، وأعطت عدة تجارب عند 37 درجة مئوية نتائج مماثلة. تم تصور الشرائح باستخدام مجهر Olympus BX50WI مع بصريات تباين التداخل التفاضلي بالأشعة تحت الحمراء (IR-DIC) وهدف الغمر بالماء × 40. بالنسبة للصور ذات التكبير المنخفض ، تم استخدام كاميرا Hamamatsu C2400–07ER التصوير عالي التكبير للتسجيل الشجيري باستخدام عدسة ضوئية × 3.3 مع كاميرا Dage-MTI CCD-72.

تم تصنيع ماصات التسجيل من شعيرات زجاجية سميكة الجدران (1.2 مم OD ، 0.69 مم ID) ومليئة بمحلول (بالمللي مول) 110 K-gluconate ، 2 MgSO4و 10 حبيس و 2 ك2-ATP (معدلة إلى درجة الحموضة 7.2-7.3 والأسمولية من 290 إلى 300 مللي مولار مع KOH والسكروز ، على التوالي). كانت مقاومة القطب 10-12 MΩ. بالنسبة للتسجيلات ، تم تحديد الخلايا التي يمكن تصور التغصنات الأولية الخاصة بها من جسم الخلية عبر عرض طبقة الضفيرة الخارجية (EPL) إلى الكبيبة ، وهي مسافة مميزة من 200-400 ميكرومتر. كان للتغصنات الأولية السمات النموذجية لعملية شجرية رأسية واحدة من جسم خلية كبير في طبقة جسم الخلية التاجية ، وقطرها سميك نسبيًا (2-4 ميكرومتر) ، والحفاظ على القطر طوال طوله ، ونقص التفرع الكبير ، والاتصال إلى الكبيبة. تم إجراء تسجيلات التصحيح المزدوج عن طريق الترقيع أولاً على سوما ثم التغصنات البعيدة بالقرب من الحدود الكبيبية قدر الإمكان. تم إجراء التسجيلات في وضع الجسر باستخدام مضخم Axoclamp-2A (تمرير النطاق: DC-30 كيلو هرتز). في بعض التجارب ، تم تضمين 0.1٪ بيوسيتين و 0.1٪ ملح بوتاسيوم أصفر لوسيفر في محلول الماصة للتصور اللاحق لمورفولوجيا الخلية.

تم تحفيز الخلية التاجية بشكل متشابك عن طريق تحفيز طبقة العصب الشمي (ON). تم وضع قطب كهربائي ثنائي القطب متحد المركز بقطر طرف يبلغ 25 ميكرومتر على طبقة العصب الشمي فوق الكبيبة التي تم توصيل التغصنات الأولية المسجلة بها. في كثير من الأحيان يمكن وضع الطرف على حزمة عصبية مميزة تحت IR-DIC. يمكن أيضًا تثبيط الخلية التاجية بشكل متشابك عن طريق تحفيز EPL الجانبي للخلية التاجية المسجلة. هذه الخلايا الحبيبية المثبطة المنشطة والتي ترتبط بالتشعبات الثانوية للخلية التاجية عن طريق المشابك الشجرية. كانت المسافة الأفقية من موقع التحفيز EPL إلى الخلية التاجية المسجلة 200-500 ميكرومتر.


علم الأعصاب عبر الإنترنت هو مورد إلكتروني مفتوح الوصول للطلاب وأعضاء هيئة التدريس والمهتمين بعلم الأعصاب. بدأ المشروع عام 1999 والقسم الاول، علم الأعصاب الخلوي والجزيئي، صدر في عام 2007.

يستمر التطوير بميزات جديدة ، مثل الوظائف الملائمة للجوّال ، ومقاطع فيديو محاضرات الدورة التدريبية ، ومقاطع فيديو المحاضرات السريرية ذات الصلة ، وفي عام 2015 ، أطلقنا علم التشريح العصبي عبر الإنترنت، وهو مختبر إلكتروني مفتوح الوصول مكمل علم الأعصاب عبر الإنترنت كمورد لدراسة علم التشريح العصبي.

علم الأعصاب عبر الإنترنت و علم التشريح العصبي عبر الإنترنت اريد دعمك. ستدعم التبرعات لموقعنا تطوير المزيد من المحتوى الجديد والرسوم المتحركة ومقاطع الفيديو وأسئلة الاختبار الذاتي. نرغب في الاستمرار في تقديم هذا المورد القيّم ، بدون إعلانات أو رسوم وبدون قيود.

اتبع الرابط للتبرع: علم الأعصاب عبر الإنترنت

2.1 الآليات الأيونية لإمكانيات العمل

Na + أمر بالغ الأهمية لإمكانية العمل في الخلايا العصبية. كما هو مبين في الشكل 2.1 ، يتم بدء إمكانات العمل بشكل متكرر حيث يتم تعديل التركيز خارج الخلية لـ Na +. مع انخفاض تركيز الصوديوم في المحلول خارج الخلية ، تصبح جهود العمل أصغر.

يوضح الشكل 2.2 الخط المستقيم الذي تنبأت به معادلة نرنست (بافتراض أن الغشاء كان منفذاً حصريًا لـ Na +). هناك توافق جيد بين البيانات والقيم التي تنبأ بها غشاء لا يمكن اختراقه حصريًا لـ Na +. تقدم التجربة دعمًا تجريبيًا لفكرة أنه في ذروة جهد الفعل ، يصبح الغشاء شديد النفاذية للصوديوم.

ومع ذلك ، هناك بعض الانحرافات بين ما يتم قياسه وما تم توقعه بواسطة معادلة نرنست. لماذا ا؟ أحد أسباب الانحراف هو استمرار نفاذية K +. إذا استمرت نفاذية K + ، فلن تصل إمكانات الغشاء أبدًا إلى قيمتها المثالية (إمكانات توازن الصوديوم) لأن انتشار أيونات K + يميل إلى جعل الخلية سلبية. يمكن فهم هذه النقطة بمساعدة معادلة GHK.

يتم تقييد إمكانات الفعل بمنطقة تحدها من جهة واحدة احتمالية توازن K + (-75 مللي فولت) وعلى الطرف الآخر بإمكانية توازن Na + (+55 مللي فولت). إمكانية الراحة هي -60 مللي فولت. لاحظ أن إمكانات الراحة لا تساوي إمكانات توازن K لأنه ، كما تمت مناقشته سابقًا ، هناك نفاذية Na + نفاذية صغيرة تجعل الخلية أكثر إيجابية قليلاً من EK. من حيث المبدأ ، يمكن الحصول على أي نقطة على طول مسار جهد الفعل ببساطة عن طريق تغيير ألفا في معادلة GHK. إذا كانت alpha كبيرة جدًا ، تهيمن مصطلحات Na ، ووفقًا لمعادلة GHK ، فإن إمكانات الغشاء ستتحرك نحو إمكانات توازن Na. تقترب ذروة إمكانات العمل ولكنها لا تصل إلى ENa تمامًا ، لأن الغشاء يحتفظ بنفاذه إلى K +.

كيف يمكن للخلية أن يكون لها مبدئيًا إمكانية استراحة تبلغ -60 ملي فولت ثم ، استجابةً لبعض التحفيز (إزالة استقطاب عابر وجيزة تصل إلى الحد الأدنى) ، تتغير في أقل من جزء من الثانية إلى وجود إمكانات تبلغ حوالي +40 مللي فولت ؟ في الخمسينيات من القرن الماضي ، قدم هودجكين وهكسلي ، عالمان بيولوجيا أعصاب بريطانيان ، فرضية لهذا التحول. اقترحوا أن خصائص بعض قنوات الصوديوم في الخلايا العصبية (وخلايا العضلات) كانت فريدة من نوعها من حيث أن هذه القنوات عادة ما تكون مغلقة ولكن يمكن فتحها عن طريق إزالة الاستقطاب. هذه الفرضية البسيطة لقنوات Na + المعتمدة على الجهد تقطع شوطًا طويلاً نحو شرح بدء جهد الفعل. لنفترض أن إزالة الاستقطاب الصغيرة تسببت في فتح بعض قنوات الصوديوم. النقطة الأساسية هي أن الزيادة في نفاذية الصوديوم ستنتج المزيد من إزالة الاستقطاب ، مما سيؤدي إلى فتح عدد أكبر من قنوات الصوديوم وتصبح إمكانات الغشاء أكثر استقطابًا. بمجرد الوصول إلى بعض المستويات الحرجة ، سيتم بدء ردود فعل إيجابية أو دورة تجديد ، مما يتسبب في إزالة استقطاب الغشاء بسرعة من -60 مللي فولت إلى قيمة تقترب من إمكانات توازن الصوديوم.

من أجل اختبار فرضية Na لبدء جهد الفعل ، من الضروري تثبيت إمكانات الغشاء على عدد من المستويات المختلفة وقياس النفاذية عند تلك الإمكانات. يمكن لجهاز إلكتروني يعرف بمضخم الجهد المشبك & quot؛ clamp & quot؛ أو تثبيت إمكانات الغشاء إلى أي مستوى مرغوب فيه وقياس التيار الناتج المطلوب لهذا التثبيت. يتناسب مقدار التيار الضروري لتثبيت الإمكانات مع النفاذية. قام Hodgkin و Huxley بتثبيت إمكانات الغشاء على مستويات مختلفة وقياس التغيرات في موصلات Na + (مصطلح كهربائي للنفاذية ، والذي يمكن استخدامه في المناقشة الحالية بالتبادل). وكلما زاد استقطاب الخلية ، زادت موصلية Na +. وبالتالي ، قدمت التجربة دعمًا لوجود قنوات Na تعتمد على الجهد.

يشير الشكل 2.4 أيضًا إلى خاصية مهمة لقنوات Na + المعتمدة على الجهد. لاحظ أن النفاذية تزداد بسرعة وبعد ذلك ، على الرغم من حقيقة أن إمكانات الغشاء مثبتة ، فإن النفاذية تتحلل مرة أخرى إلى مستواها الأولي. هذه الظاهرة تسمى تعطيل. تبدأ قنوات Na + في الإغلاق ، حتى مع استمرار وجود نزع الاستقطاب. يساهم التعطيل في إعادة استقطاب إمكانات الفعل. ومع ذلك ، فإن التعطيل لا يكفي في حد ذاته لتفسير عودة الاستقطاب بشكل كامل.

2.3 K + الموصلية المعتمدة على الجهد

بالإضافة إلى التغييرات المعتمدة على الجهد في نفاذية Na ، هناك تغييرات تعتمد على الجهد في نفاذية K +. يمكن قياس هذه التغييرات بتقنية الجهد-المشبك أيضًا. يشير الشكل الموضح أعلاه إلى التغيرات في التوصيل K + وكذلك موصلية Na. هناك نقطتان مهمتان

أولاً ، مثلما توجد قنوات في الغشاء قابلة للاختراق لـ Na + والتي يتم إغلاقها عادةً ولكن بعد ذلك يتم فتحها استجابةً للجهد ، فهناك أيضًا قنوات في الغشاء قابلة للاختراق بشكل انتقائي لـ K +. عادة ما تكون قنوات K + مغلقة ، ولكنها مفتوحة استجابة لإزالة الاستقطاب.

ثانيًا ، يتمثل الاختلاف الرئيسي بين التغييرات في قنوات K والتغييرات في قنوات Na في أن قنوات K + أبطأ في التنشيط أو الفتح. (بعض قنوات K + أيضًا لا يتم تعطيلها). لاحظ أن عودة الموصلية في نهاية النبض ليست عملية تعطيل. مع إزالة النبض ، يتم تنشيط القنوات معطل.

2.4 تسلسل تغييرات المواصلة الكامنة وراء إمكانات العمل العصبي

ستبدأ بعض عمليات إزالة الاستقطاب الأولية (على سبيل المثال ، جهد متشابك) في فتح قنوات Na +. تؤدي الزيادة في تدفق الصوديوم إلى مزيد من إزالة الاستقطاب.

أ ردود الفعل الإيجابية تعمل الدورة على تحريك إمكانات الغشاء بسرعة نحو قيمته الذروية ، وهي قريبة ولكنها لا تساوي إمكانات توازن الصوديوم. ثم يتم إشراك عمليتين تساهمان في إعادة الاستقطاب في ذروة إمكانات الفعل. أولاً ، تبدأ موصلية Na + في الانخفاض بسبب التعطيل. عندما تنخفض موصلية Na + ، تبدأ دورة تغذية مرتدة أخرى ، لكن هذه الدورة هي دورة نزولية. تنخفض موصلية الصوديوم ، وتبدأ إمكانات الغشاء في إعادة الاستقطاب ، ويتم إلغاء تنشيط قنوات الصوديوم المفتوحة والتي لم يتم تعطيلها بعد وإغلاقها. ثانيًا ، تزداد موصلية K +. في البداية ، هناك تغيير طفيف للغاية في تصرف K + لأن هذه القنوات بطيئة في الفتح ، ولكن بحلول ذروة جهد الفعل ، تبدأ موصلية K + في الزيادة بشكل كبير وتساهم القوة الثانية في إعادة الاستقطاب. نتيجة لهاتين القوتين ، تعود إمكانات الغشاء بسرعة إلى إمكانات الراحة. في الوقت الذي تصل فيه إلى -60 مللي فولت ، عادت موصلية الصوديوم إلى قيمتها الأولية. ومع ذلك ، فإن إمكانات الغشاء تصبح أكثر سلبية (الجهد المنخفض أو فرط الاستقطاب اللاحق).

المفتاح لفهم احتمالية فرط الاستقطاب هو في بطء قنوات K +. مثلما تكون قنوات K + بطيئة في الفتح (التنشيط) ، فهي أيضًا بطيئة في الإغلاق (إلغاء التنشيط). Once the membrane potential starts to repolarize, the K + channels begin to close because they sense the voltage. However, even though the membrane potential has returned to -60 mV, some of the voltage-dependent K + channels remain open. Thus, the membrane potential will be more negative than it was initially. Eventually, these K + channels close, and the membrane potential returns to -60 mV.

Why does the cell go through these elaborate mechanisms to generate an action potential with a short duration? Recall how information is coded in the nervous system. If the action potential was about one msec in duration, the frequency of action potentials could change from once a second to a thousand a second. Therefore, short action potentials provide the nerve cell with the potential for a large dynamic range of signaling.

2.5 Pharmacology of the Voltage-Dependent Membrane Channels

Some chemical agents can selectively block voltage-dependent membrane channels. Tetrodotoxin (TTX), which comes from the Japanese puffer fish, blocks the voltage-dependent changes in Na + permeability, but has no effect on the voltage-dependent changes in K + permeability. This observation indicates that the Na + and K + channels are unique one of these can be selectively blocked and not affect the other. Another agent, tetraethylammonium (TEA), has no effect on the voltage-dependent changes in Na + permeability, but it completely abolishes the voltage-dependent changes in K + permeability.

Use these two agents (TTX and TEA) to test your understanding of the ionic mechanisms of the action potential. What effect would treating an axon with TTX have on an action potential? An action potential would not occur because an action potential in an axon cannot be initiated without voltage-dependent Na + channels. How would TEA affect the action potential? It would be longer and would not have an undershoot.

In the presence of TEA the initial phase of the action potential is identical, but note that it is much longer and does not have an after-hyperpolarization. There is a repolarization phase, but now the repolarization is due to the process of Na + inactivation alone. Note that in the presence of TEA, there is no change in the resting potential. The channels in the membrane that endow the cell with the resting potential are different from the ones that are opened by voltage. They are not blocked by TEA. TEA only affects the voltage-dependent changes in K + permeability.

It is easy to receive the impression that there is a "gush" of Na + that comes into the cell with each action potential. Although, there is some influx of Na + , it is minute compared to the intracellular concentration of Na + . The influx is insufficient to make any noticeable change in the intracellular concentration of Na + . Therefore, the Na + equilibrium potential does not change during or after an action potential. For any individual action potential, the amount of Na + that comes into the cell and the amount of K + that leaves are insignificant and have no effect on the bulk concentrations. However, without some compensatory mechanism, over the long-term (many spikes), Na + influx and K + efflux would begin to alter the concentrations and the resultant Na + and K + equilibrium potentials. The Na + -K + pumps in nerve cells provide for the long-term maintenance of these concentration gradients. They keep the intracellular concentrations of K + high and the Na + low, and thereby maintain the Na + equilibrium potential and the K + equilibrium potential. The pumps are necessary for the long-term maintenance of the "batteries" so that resting potentials and action potentials can be supported.

2.7 Types of Membrane Channels

So far, two basic classes of channels, voltage-dependent or voltage-gated channels and voltage-independent channels, have been considered. Voltage-dependent channels can be further divided based on their permeation properties into voltage-dependent Na + channels and voltage-dependent K + channels. There are also voltage-dependent Ca 2+ channels (see chapter on انتقال متشابك). Indeed, there are multiple types of Ca 2+ channels and voltage-dependent K + channels. Nevertheless, all these channels are conceptually similar. They are membrane channels that are normally closed and as a result of changes in potential, the channel (pore) is opened. The amino acid sequence of these channels is known in considerable detail and specific amino acid sequences have been related to specific aspects of channel function (e.g., ion selectivity, voltage gating, inactivation). A third major channel class, the transmitter-gated or ligand-gated channels, will be described later.

Ion channel mutations have been identified as a possible cause of a wide variety of inherited disorders. Several disorders involving muscle membrane excitability have been associated with mutations in calcium, sodium and chloride channels as well as acetylcholine receptors and have been labeled ‘channelopathies’. It is possible that movement disorders, epilepsy and headache, as well as other rare inherited diseases, might be linked to ion channels. The manifestations and mechanisms of channelopathies affecting neurons are reviewed in Kullman, 2002. The existence of channelopathies may provide insights into the variety of cellular mechanisms associated with the misfunctioning of neuronal circuits.

2.9 Absolute and Relative Refractory Periods

ال فترة الحرارية المطلقة is a period of time after the initiation of one action potential when it is impossible to initiate a second action potential no matter how much the cell is depolarized. ال فترة المقاومة النسبية is a period after one action potential is initiated when it is possible to initiate a second action potential, but only with a greater depolarization than was necessary to initiate the first. The relative refractory period can be understood at least in part by the hyperpolarizing afterpotential. Assume that an initial stimulus depolarized a cell from -60 mV to -45 mV in order to reach threshold and then consider delivering the same 15-mV stimulus sometime during the after-hyperpolarization. The stimulus would again depolarize the cell but the depolarization would be below threshold and insufficient to trigger an action potential. If the stimulus was made larger, however, such that it again was capable of depolarizing the cell to threshold (-45 mV), an action potential could be initiated.

The absolute refractory period can be explained by the dynamics of the process of Na + -inactivation, the features of which are illustrated in Figure 2.10. Here, two voltage clamp pulses are delivered. The first pulse produces a voltage-dependent increase in the Na + permeability which then undergoes the process of inactivation. If the two pulses are separated sufficiently in time, the second pulse produces a change in the Na + conductance, which is identical to the first pulse. However, if the second pulse comes soon after the first pulse, then the change in Na + conductance produced by the second pulse is less than that produced by the first. Indeed, if the second pulse occurs immediately after the first pulse, the second pulse produces no change in the Na + conductance. Therefore, when the Na + channels open and spontaneously inactivate, it takes time (several msec) for them to recover from that inactivation. This process of recovery from inactivation underlies the absolute refractory period. During an action potential the Na + channels open and then they become inactivated. Therefore, if a second stimulus is delivered soon after the one that initiated the first spike, there will be few Na + channels available to be opened by the second stimulus because they have been inactivated by the first action potential.

2.10 Action Potential Laboratory

انقر here to go to the interactive Action Potential Laboratory to examine the ways in which the action potential is effected by changes in the Na + conductance, K + conductance and equilibrium potentials for Na + and K + .

Action Potential Laboratory

Drug X, when applied to a nerve axon, results in both a gradual decrease in the amplitude of individual action potentials and a depolarization of the resting potential, both of which develop over a period of several hours. The drug is most likely:

A. Blocking the voltage-dependent Na + permeability

B. Blocking the voltage-dependent K + permeability

C. Blocking the (Na + -K + ) pump

D. Blocking the process of Na + inactivation

E. Increasing the rate at which voltage-dependent changes in K + permeability occur

Drug X, when applied to a nerve axon, results in both a gradual decrease in the amplitude of individual action potentials and a depolarization of the resting potential, both of which develop over a period of several hours. The drug is most likely:

A. Blocking the voltage-dependent Na + permeability This answer is INCORRECT.

Blocking the voltage-dependent sodium permeability would decrease the amplitude of the action potential, but it would probably do nothing to the resting potential. If it did anything to the resting potential, it would lead to a hyperpolarization, not a depolarization as is the case with drug X.

B. Blocking the voltage-dependent K + permeability

C. Blocking the (Na + -K + ) pump

D. Blocking the process of Na + inactivation

E. Increasing the rate at which voltage-dependent changes in K + permeability occur

Drug X, when applied to a nerve axon, results in both a gradual decrease in the amplitude of individual action potentials and a depolarization of the resting potential, both of which develop over a period of several hours. The drug is most likely:

A. Blocking the voltage-dependent Na + permeability

B. Blocking the voltage-dependent K + permeability This answer is INCORRECT.

The voltage-dependent potassium channels are generally not activated unless the membrane potential is fairly depolarized. Thus, blocking the voltage-dependent potassium permeability would have very little, if any, effect on the resting potential. Also, blocking the voltage-dependent potassium permeability would have a tendency to perhaps increase the amplitude (and duration) of the action potential rather than decreasing it.

C. Blocking the (Na + -K + ) pump

D. Blocking the process of Na + inactivation

E. Increasing the rate at which voltage-dependent changes in K + permeability occur

Drug X, when applied to a nerve axon, results in both a gradual decrease in the amplitude of individual action potentials and a depolarization of the resting potential, both of which develop over a period of several hours. The drug is most likely:

A. Blocking the voltage-dependent Na + permeability

B. Blocking the voltage-dependent K + permeability

C. Blocking the (Na + -K + ) pump This answer is CORRECT!

Blocking the sodium potassium pump leads to a gradual influx of sodium into the cell, and efflux of potassium out of the cell. These changes in concentration lead to a change in the equilibrium potential for potassium, as well as for sodium. As the equilibrium potential for potassium becomes more positive, the resting potential becomes more positive (i.e., more depolarized). Because of the sodium influx into the cell, the equilibrium potential for sodium is changed, namely, it is less positive. And because the peak amplitude of the action potential is dependent upon the value of the sodium equilibrium potential, the peak amplitude of the action potential would also decrease over time.

D. Blocking the process of Na + inactivation

E. Increasing the rate at which voltage-dependent changes in K + permeability occur

Drug X, when applied to a nerve axon, results in both a gradual decrease in the amplitude of individual action potentials and a depolarization of the resting potential, both of which develop over a period of several hours. The drug is most likely:

A. Blocking the voltage-dependent Na + permeability

B. Blocking the voltage-dependent K + permeability

C. Blocking the (Na + -K + ) pump

D. Blocking the process of Na + inactivation This answer is INCORRECT.

Blocking the process of sodium inactivation would affect primarily the repolarization phase of the action potential. There would be no change in the resting potential. The only consequence would be that the action potential would have a greater duration than normal.

E. Increasing the rate at which voltage-dependent changes in K + permeability occur

Drug X, when applied to a nerve axon, results in both a gradual decrease in the amplitude of individual action potentials and a depolarization of the resting potential, both of which develop over a period of several hours. The drug is most likely:

A. Blocking the voltage-dependent Na + permeability

B. Blocking the voltage-dependent K + permeability

C. Blocking the (Na + -K + ) pump

D. Blocking the process of Na + inactivation

E. Increasing the rate at which voltage-dependent changes in K + permeability occur This answer is INCORRECT.

Increasing the rate in which voltage-dependent changes in potassium permeability occur would only affect the duration of the action potential. Perhaps if there was an increase in the rate, there might also be a slight decrease in the amplitude of the action potential, but there would be no change in the resting potential.


Measurements

The rate of increase of membrane area as a function of distance from the soma (dأx) was approximated by Δأ/ Δx, where Δأ is the spine-adjusted total membrane area at a distance interval (x, x + Δx) from the soma. The discretization Δx was 1 μm (Δx = 0.25 μm for Purkinje cells). All distances were measured along the dendrites. The somatodendritic Na + channel density threshold for full AP propagation into all dendritic branches,زNa,thresh, was determined using the bisection algorithm (Press et al. 1992). The radius of equivalent cables was calculated according to the following equation


نتائج

Immunocytochemistry reveals voltage-gated sodium channels in dendrites of GnRH neurons

نا + الخامس immunoreactivity (Na + الخامس-ir) existed in a punctate but heterogeneous pattern throughout the forebrain ( Fig. 1, A and B). In many brain regions, such as the hippocampus, Na + الخامس-ir was found associated with the cell soma. All GnRH neurons (43 of 43) examined in all four mice were found to express Na + الخامس-ir ( Fig. 1, D– F). Staining for Na + الخامس-ir was detected in the soma as well as throughout the entire length of the dendrites of each GnRH neuron ( Fig. 1, D– F). No differential distribution of Na + الخامس-ir was apparent in different subcellular portions. Figure 1E shows Na + الخامس-ir in a distal dendritic element located 390 μm from the GnRH neuron soma. Immunoreactivity, detected in single optical images, was present along the length of the distal dendrite ( Fig. 1, E and F, insets i–iii). Absence of the primary antibody resulted in a complete absence of signal for Na + الخامس ( Fig. 1, C and G). This observation indicates that GnRH neuron dendrites express conductances that could lead to active properties and facilitate the impact of synapses in distal dendritic regions of GnRH neurons.

GnRH neuron dendrites express Na + الخامس channels. A, Projected confocal image of Na + الخامس-ir in the CA1 hippocampus of GnRH-GFP mice B, single optical slice (0.36 μm) through two neurons (asterisks) showing with membrane-localized Na + الخامس-ir C, omitting Na + الخامس primary antibody eliminates Na + v-ir D, projected confocal stack of a GnRH soma and proximal dendrite (لون أخضر) and Na + الخامس-ir (أحمر): i–iii, أدناه, single optical slices (0.36 μm) corresponding to regions indicated by white boxes in D E, low-power projected confocal image of GnRH neuron cell bodies and dendrites and Na + الخامس-ir F, projected confocal stack of a portion of dendrite 390 μm from the cell body of a GnRH neuron shown in E (white box) i–iii, far right, single optical slices (0.36 μm) corresponding to regions indicated by white boxes in F, with السهام highlighting أصفر pixels indicative of Na + الخامس-ir localized in the distal segment of a GnRH dendrite G, omitting Na + الخامس primary antibody eliminates Na + الخامس-ir. Scale bars, 10 μm (A–E) and 5 μm (G).

GnRH neuron dendrites express Na + الخامس channels. A, Projected confocal image of Na + الخامس-ir in the CA1 hippocampus of GnRH-GFP mice B, single optical slice (0.36 μm) through two neurons (asterisks) showing with membrane-localized Na + الخامس-ir C, omitting Na + الخامس primary antibody eliminates Na + v-ir D, projected confocal stack of a GnRH soma and proximal dendrite (لون أخضر) and Na + الخامس-ir (أحمر): i–iii, أدناه, single optical slices (0.36 μm) corresponding to regions indicated by white boxes in D E, low-power projected confocal image of GnRH neuron cell bodies and dendrites and Na + الخامس-ir F, projected confocal stack of a portion of dendrite 390 μm from the cell body of a GnRH neuron shown in E (white box) i–iii, far right, single optical slices (0.36 μm) corresponding to regions indicated by white boxes in F, with السهام highlighting أصفر pixels indicative of Na + الخامس-ir localized in the distal segment of a GnRH dendrite G, omitting Na + الخامس primary antibody eliminates Na + الخامس-ir. Scale bars, 10 μm (A–E) and 5 μm (G).

Simultaneous recordings from somata and dendrites demonstrate active back-propagation of spikes in GnRH neurons

The above results indicated that the dendrites of GnRH neurons might exhibit active electrical properties. We tested this hypothesis directly using simultaneous somatic and dendritic recordings from individual GFP-identified GnRH neurons in brain slices. Dendrites were recorded at least 250 μm from the soma. Somatic current injection ( Fig. 2 bottom traces) drove action potentials in GnRH somata ( Fig. 2 middle traces) and resulted in the detection of action potentials at the dendritic recording site ( Fig. 2 top traces). In all cases, dendritic action potentials followed somatic action potentials, a finding that is consistent with back-propagation from a somatic site of origination. The placement of the dendritic recording at least 250 μm from somata exceeds the distance over which voltage from action potentials of somatic origin could be conveyed passively, based on our initial multicompartmental modeling study ( 7).

Back-propagation of action potentials from GnRH somata to dendrites. Current pulses applied to somata induced action potentials. These action potentials were subsequently detected at dendrite recording sites that were at least 250 μm from somata.

Back-propagation of action potentials from GnRH somata to dendrites. Current pulses applied to somata induced action potentials. These action potentials were subsequently detected at dendrite recording sites that were at least 250 μm from somata.

Thus, dendrites exhibit back-propagation of action potentials, indicative of active electrical properties in dendrites. Peak latencies between somatic action potentials (n = 16 elicited in response to current injection in the whole-cell recording configuration) and subsequent dendritic action potentials (in the cell-attached recording configuration) were 0.37 ± 0.12 msec (mean ± sd ). The variation in peak latencies probably reflects differences in placement of the somatic and dendritic recording pipettes. We cannot define an exact rate of propagation because the course of the dendritic profile between the two recording pipettes was not a straight line.

Simultaneous recordings from somata and dendrites of GnRH neurons demonstrate predominant dendritic sites of action potential initiation

To evaluate the temporal relationship between somatic and dendritic spikes under conditions of spontaneous activity, we made dual soma-dendrite recordings from 12 spontaneously active GnRH neurons ( Fig. 3). During these recordings, no current was applied to either the somata or dendrite. Strikingly, in eight GnRH neurons, all 57 endogenously generated action potentials (range, one to 11 action potentials per neuron in 4–7 min of recording) were detected first at the dendritic recording site over 250 μm distant from the soma ( Fig. 3, action potentials A, B, E, and F). In the remaining four GnRH neurons (13 action potentials range, two to five action potentials per neuron in 4–7 min of recording), a mixture of somatic- and dendritic-initiated action potentials were recorded with about 35% of the total number of action potentials first detected at the somatic recording site ( Fig. 3, action potentials C and D) and about 65% recorded first at the dendrite. Peak latencies in propagation of the spontaneous action potentials from the dendrite to the soma (0.45 ± 0.26 msec) were not different to those of back-propagating action potentials (0.37 ± 0.12 msec).

Dendrites exhibit spontaneous action potential initiation in GnRH neurons. Simultaneous recordings from GnRH somata (thin traces) and dendrites (thick traces) in two neurons reveal action potentials originating in dendrites in one neuron (action potentials A and B), whereas others originate in somata of a different GnRH neuron (action potentials C and D). In a third GnRH neuron, action potentials have dendritic sites of origin (action potentials E and F).

Dendrites exhibit spontaneous action potential initiation in GnRH neurons. Simultaneous recordings from GnRH somata (thin traces) and dendrites (thick traces) in two neurons reveal action potentials originating in dendrites in one neuron (action potentials A and B), whereas others originate in somata of a different GnRH neuron (action potentials C and D). In a third GnRH neuron, action potentials have dendritic sites of origin (action potentials E and F).

Location of excitatory synaptic input determines whether spike initiation is somatic or dendritic in model GnRH neurons

To understand the significance of the different sites of action potential generation (أي. somata or dendrites) we used our multicompartmental, conductance-based models of GnRH neurons with active dendrites and determined the minimal conductance amplitude of a synaptic event to generate a spike. For this synaptic threshold survey, we used models of α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid (AMPA)-type glutamatergic synapses ( 10). However, the same behavior was observed with short-pulse current injections. The threshold conductance value was found to vary markedly depending upon the location of the simulated synapse on the dendrite. At dendritic distances beyond about 130 μm, the threshold of activation decreased precipitously to a level well below that for the initiation of somatic action potentials ( Fig. 4A). The conductance threshold for somatic action potential generation was 1.6 nS for the bipolar cell model, and 2.3 nS for the larger branching cell. Thresholds increase to maxima of 1.8 nS at 118 μm of dendrite length in the bipolar cell and 2.9 nS at 150 μm of dendrite length in the branching cell. From the maxima, the synaptic amplitudes necessary to cause an action potential decreased to 0.41 and 0.23 nS at the distal tips of the dendrites. To understand this dependence of threshold conductance on the distance of the synapse from the soma, we examined the time courses of the voltages of the individual compartments in the simulations. The activation of synapses less than 130 μm from the soma ( Fig. 4B, i–iii) resulted in action potentials that were initiated in the soma (black traces) and were followed by action potentials at later times along the increasing length of dendrite (colored traces). In contrast, activation of dendritic synapses greater than 200 μm from the soma ( Fig. 4C, iv–vi) resulted in spikes of dendritic origin (colored traces) that preceded somatic action potentials (in black traces). These findings support a model of dual soma-dendritic control of action potential generation in GnRH neurons.

Differences in action potential thresholds for simulated synapses applied along the length of model GnRH dendrites. A, The minimum synaptic strength to initiate a spike varies with the location on the dendrite. كل منحنى indicates a dendrite branch, either the single dendrite in the bipolar cell model or each of the two branches of model with a branching dendrite. Simulated synapses were placed on dendrites at increasing distances from the soma. Action potential thresholds reach a maximum of 1.8 nS at 118 μm of dendrite length in the bipolar cell and 2.9 nS at 150 μm of dendrite length in the branching cell and then decreased to 0.41 and 0.23 nS, respectively, at the distal tips of the dendrites. B, Shift from somatic to dendritic spike initiation along the length of the model GnRH dendrite. In each panel, the black trace corresponds to somatic membrane potential changes (أسود electrode). ال colored traces indicate voltages in dendrite compartments whose recording electrode and simulated voltage trace has the corresponding color. Voltage responses in the top panels correspond to activation of a simulated synapse at 127 μm of dendrite length (indicated by the red triangle with a single asterisk). Voltage responses in the الألواح السفلية correspond to activation of a simulated synapse at 499 μm of dendrite length (indicated by the red triangle with a double asterisk). In i, the postsynaptic potential is seen first in the dendrite (أزرق), but the action potential is initiated at the soma (أسود). ال نفسجي و red traces show active back-propagation of the somatic action potential into dendrite compartments at 298 μm of dendrite length (ii purple trace) and 499 μm of dendrite length (iii أثر أحمر). في ال upper traces، ال أسود somatic spike precedes spikes in all dendrite compartments, and thus, these action potentials have somatic sites of initiation. في ال الألواح السفلية, activation of the simulated synapse at 499 μm of dendrite length led to a locally initiated action potential in the dendrite (vi) where the dendrite action potential (أثر أحمر) precedes the somatic action potential (black trace). The action potential was actively propagated from its initiation site in the distal dendrite (at 499 μm) toward the soma to more proximal dendrite compartments at 298 μm (purple trace in v) and 102 μm (blue trace in iv) and then invades the soma (black trace in iv–vi). Accordingly, regions on either side of the maximal threshold in A differ in spike initiation zone. The axonal compartments have been removed from the model neuron in the figure but were included during simulations.

Differences in action potential thresholds for simulated synapses applied along the length of model GnRH dendrites. A, The minimum synaptic strength to initiate a spike varies with the location on the dendrite. كل منحنى indicates a dendrite branch, either the single dendrite in the bipolar cell model or each of the two branches of model with a branching dendrite. Simulated synapses were placed on dendrites at increasing distances from the soma. Action potential thresholds reach a maximum of 1.8 nS at 118 μm of dendrite length in the bipolar cell and 2.9 nS at 150 μm of dendrite length in the branching cell and then decreased to 0.41 and 0.23 nS, respectively, at the distal tips of the dendrites. B, Shift from somatic to dendritic spike initiation along the length of the model GnRH dendrite. In each panel, the black trace corresponds to somatic membrane potential changes (أسود electrode). ال colored traces indicate voltages in dendrite compartments whose recording electrode and simulated voltage trace has the corresponding color. Voltage responses in the top panels correspond to activation of a simulated synapse at 127 μm of dendrite length (indicated by the red triangle with a single asterisk). Voltage responses in the الألواح السفلية correspond to activation of a simulated synapse at 499 μm of dendrite length (indicated by the red triangle with a double asterisk). In i, the postsynaptic potential is seen first in the dendrite (أزرق), but the action potential is initiated at the soma (أسود). ال نفسجي و red traces show active back-propagation of the somatic action potential into dendrite compartments at 298 μm of dendrite length (ii purple trace) and 499 μm of dendrite length (iii أثر أحمر). في ال upper traces، ال أسود somatic spike precedes spikes in all dendrite compartments, and thus, these action potentials have somatic sites of initiation. في ال الألواح السفلية, activation of the simulated synapse at 499 μm of dendrite length led to a locally initiated action potential in the dendrite (vi) where the dendrite action potential (أثر أحمر) precedes the somatic action potential (black trace). The action potential was actively propagated from its initiation site in the distal dendrite (at 499 μm) toward the soma to more proximal dendrite compartments at 298 μm (purple trace in v) and 102 μm (blue trace in iv) and then invades the soma (black trace in iv–vi). Accordingly, regions on either side of the maximal threshold in A differ in spike initiation zone. The axonal compartments have been removed from the model neuron in the figure but were included during simulations.


Propagation of Action Potentials in Dendrites Depends on Dendritic Morphology

Action potential propagation links information processing in different regions of the dendritic tree. To examine the contribution of dendritic morphology to the efficacy of propagation, simulations were performed in detailed reconstructions of eight different neuronal types. With identical complements of voltage-gated channels, different dendritic morphologies exhibit distinct patterns of propagation. Remarkably, the range of backpropagation efficacies observed experimentally can be reproduced by the variations in dendritic morphology alone. Dendritic geometry also determines the extent to which modulation of channel densities can affect propagation. Thus in Purkinje cells and dopamine neurons, backpropagation is relatively insensitive to changes in channel densities, whereas in pyramidal cells, backpropagation can be modulated over a wide range. We also demonstrate that forward propagation of dendritically initiated action potentials is influenced by morphology in a similar manner. We show that these functional consequences of the differences in dendritic geometries can be explained quantitatively using simple anatomical measures of dendritic branching patterns, which are captured in a reduced model of dendritic geometry. These findings indicate that differences in dendritic geometry act in concert with differences in voltage-gated channel density and kinetics to generate the diversity in dendritic action potential propagation observed between neurons. They also suggest that changes in dendritic geometry during development and plasticity will critically affect propagation. By determining the spatial pattern of action potential signaling, dendritic morphology thus helps to define the size and interdependence of functional compartments in the neuron.


Roles of IA and morphology in action potential propagation in CA1 pyramidal cell dendrites

Dendrites of CA1 pyramidal cells of the hippocampus, along with those of a wide range of other cell types, support active backpropagation of axonal action potentials. Consistent with previous work, recent experiments demonstrating that properties of synaptic plasticity are different for distal synapses, suggest an important functional role of bAPs, which are known to be prone to failure in distal locations. Using conductance-based models of CA1 pyramidal cells, we show that underlying "traveling wave attractors" control action potential propagation in the apical dendrites. By computing these attractors, we dissect and quantify the effects of I(A) channels and dendritic morphology on bAP amplitudes. We find that non-uniform activation properties of I(A) can lead to backpropagation failure similar to that observed experimentally in these cells. Amplitude of forward propagation of dendritic spikes also depends strongly on the activation dynamics of I(A). I(A) channel properties also influence transients at dendritic branch points and whether or not propagation failure results. The branching pattern in the distal apical dendrites, combined with I(A) channel properties in this region, ensure propagation failure in the apical tuft for a large range of I(A) conductance densities. At the same time, these same properties ensure failure of forward propagating dendritic spikes initiated in the distal tuft in the absence of some form of cooperativity of synaptic activation.


Ion transport

As is stated above, the lipid bilayer of the neuronal membrane tends to repel electrically charged, hydrated ions, making virtually impossible the movement across the membrane that is necessary for the generation of nerve impulses. The transmembrane movement of ions is actually carried out by molecular mechanism—specifically, by protein molecules embedded in the lipid layers. One mechanism, the sodium-potassium pump, maintains the resting potential, and another, the various ion channels, helps create the action potential.


شاهد الفيديو: 2. n Lewe wat nie geïgnoreer kan word nie (كانون الثاني 2022).