Phasen des Aktionspotenzials und Hodgkin-Huxley-Theorie

Das Aktionspotenzial ist eine stereotype Abfolge von Spannungsänderungen, die eine erregbare Membran erzeugt, sobald die Depolarisation die Schwelle überschreitet. Es durchläuft einen schnellen depolarisierenden Aufstrich, ein Überschwingen über Null, einen repolarisierenden Abstrich und oft eine vorübergehende Hyperpolarisation, bevor es in den Ruhezustand zurückkehrt. Die Hodgkin-Huxley-Theorie erklärt diese Abfolge quantitativ als Produkt spannungs- und zeitabhängiger Natrium- und Kaliumleitfähigkeiten.

Definition

Das Aktionspotenzial ist eine transiente, regenerative Umkehrung des Membranpotenzials, bestehend aus einem depolarisierenden Aufstrich, einem Überschwingen, einer Repolarisationsphase und einer Nachhyperpolarisation; die Hodgkin-Huxley-Theorie modelliert diese Phasen als Ergebnis spannungsabhängiger Natrium- und Kaliumleitfähigkeiten, die durch Gating-Variablen beschrieben werden.

Scope

Dieses Thema beschreibt die aufeinanderfolgenden Phasen des Aktionspotenzials und den Hodgkin-Huxley-Rahmen, der sie erklärt. Es behandelt die ionische Basis jeder Phase, die Gating-Variablen, die die Leitfähigkeit steuern, und wie das Modell den Impuls reproduziert und vorhersagt. Es behandelt dies als grundlegende Physiologie und Elektrophysiologie, nicht als klinische Leitlinie.

Core questions

• Welche Ionenströme erzeugen den Aufstrich, die Repolarisation und die Nachhyperpolarisation des Aktionspotenzials?
• Wie erfassen die Hodgkin-Huxley-Gating-Variablen (m, h, n) den Zeitverlauf der Natrium- und Kaliumleitfähigkeit?
• Warum überschreitet die Membran während des Aufstrichs Null und nähert sich dem Natrium-Gleichgewichtspotenzial an?

Key concepts

• Depolarisierender Aufstrich
• Überschwingen
• Repolarisation
• Nachhyperpolarisation
• Natrium- und Kaliumleitfähigkeiten
• Gating-Variablen (m, h, n)
• Gleichgewichts- (Nernst-) Potenziale

Key theories

Hodgkin-Huxley-Modell

Eine quantitative Beschreibung, bei der der Membranstrom die Summe von Natrium-, Kalium- und Leckstromkomponenten ist, wobei die Leitfähigkeiten durch spannungs- und zeitabhängige Gating-Variablen gesteuert werden; die Gleichungen reproduzieren das Aktionspotenzial, seine Schwelle und seine Leitung.

Natriumhypothese

Die Annahme, dass die ansteigende Phase und das Überschwingen des Aktionspotenzials durch eine vorübergehende Zunahme der Membranpermeabilität für Natrium erzeugt werden, wodurch das Potenzial in Richtung des Natrium-Gleichgewichtspotenzials getrieben wird.

Mechanisms

Wenn die Depolarisation die Schwelle erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle schnell; der resultierende Natriumeinstrom ist regenerativ, depolarisiert die Membran weiter in Richtung des Natrium-Gleichgewichtspotenzials und erzeugt den steilen Aufstrich und das Überschwingen. Hodgkin und Katz zeigten zuerst, dass der Aufstrich von extrazellulärem Natrium abhängt. Natriumkanäle inaktivieren dann, während spannungsgesteuerte Kaliumkanäle sich langsamer öffnen, sodass der Kaliumausstrom die Membran repolarisiert; die fortgesetzte Kaliumleitfähigkeit kann das Potenzial vorübergehend unter den Ruhezustand treiben, was die Nachhyperpolarisation bewirkt. Hodgkin und Huxley trennten diese Ströme experimentell und stellten jede Leitfähigkeit mit Gating-Variablen dar, deren Spannungs- und Zeitabhängigkeit die gesamte Phasenabfolge und den sich ausbreitenden Impuls reproduzierte.

Clinical relevance

Das Verständnis der ionischen Basis jeder Aktionspotenzialphase ist die Grundlage für die Interpretation der Erregbarkeit und dafür, wie veränderte Natrium- oder Kaliumströme die Feuerung verändern. Dieser Eintrag ist beschreibendes Referenzmaterial zum normalen Mechanismus und keine Grundlage für individuelle klinische Entscheidungen.

Evidence & guidelines

Die Phasenstruktur und ihre ionische Basis stammen aus den Hodgkin-Huxley-Voltage-Clamp-Studien am Riesenaxon des Tintenfisches und aus späteren Übersichten über Aktionspotenziale in Säugetierneuronen; dies sind mechanistische Studien und keine klinischen Leitlinien.

History

Nach Hodgkin und Katz' Demonstration von 1949, dass das Überschwingen von extrazellulärem Natrium abhängt, verwendeten Hodgkin und Huxley die Voltage-Clamp-Technik am Riesenaxon des Tintenfisches, um die Natrium- und Kaliumströme zu trennen und sie 1952 als Gleichungssystem auszudrücken. Dieses Modell reproduzierte die Form, die Schwelle, die Refraktärität und die Leitungsgeschwindigkeit des Aktionspotenzials und bleibt die Grundlage der computergestützten Neurophysiologie.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Bernard Katz
• Bruce Bean

Seminal works

• hodgkin-huxley-1952
• hodgkin-katz-1949
• hodgkin-huxley-1952-currents

Frequently asked questions

Was verursacht den Aufstrich des Aktionspotenzials?

Ein regenerativer Einstrom von Natriumionen durch sich schnell öffnende spannungsgesteuerte Natriumkanäle, der das Membranpotenzial in Richtung des Natrium-Gleichgewichtspotenzials treibt.

Warum gibt es eine Nachhyperpolarisation?

Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle bleiben nach der Repolarisation der Membran geöffnet, und der fortgesetzte Kaliumausstrom kann das Potenzial kurzzeitig unter das Ruheniveau treiben, bevor die Kanäle schließen.