Φάσεις του δυναμικού ενέργειας και θεωρία Hodgkin-Huxley

Το δυναμικό ενέργειας είναι μια στερεότυπη ακολουθία μεταβολών τάσης που παράγει μια διεγερσιμη μεμβράνη μόλις η αποπόλωση ξεπεράσει το κατώφλι. Εξελίσσεται μέσω ταχείας ανερχόμενης αποπόλωσης, υπερπόλωσης πέραν του μηδενός, κατερχόμενης επαναπόλωσης και συχνά παροδικής υπερπόλωσης, πριν επιστρέψει στην ηρεμία. Η θεωρία Hodgkin-Huxley εξηγεί αυτή την ακολουθία ποσοτικά ως προϊόν τάσιο- και χρόνο-εξαρτώμενων αγωγιμοτήτων νατρίου και καλίου.

Definition

Το δυναμικό ενέργειας είναι μια παροδική, αναγεννητική αναστροφή του δυναμικού μεμβράνης που περιλαμβάνει ανερχόμενη αποπόλωση, υπερπόλωση, φάση επαναπόλωσης και μετα-υπερπόλωση· η θεωρία Hodgkin-Huxley μοντελοποιεί αυτές τις φάσεις ως αποτέλεσμα τάσιο-εξαρτώμενων αγωγιμοτήτων νατρίου και καλίου που περιγράφονται από μεταβλητές ελέγχου πυλών.

Scope

Το θέμα αυτό περιγράφει τις διαδοχικές φάσεις του δυναμικού ενέργειας και το πλαίσιο Hodgkin-Huxley που τις εξηγεί. Καλύπτει την ιοντική βάση κάθε φάσης, τις μεταβλητές ελέγχου πυλών (gating variables) που διέπουν την αγωγιμότητα, και τον τρόπο με τον οποίο το μοντέλο αναπαράγει και προβλέπει το κώδωνα. Αντιμετωπίζει αυτό ως θεμελιώδη φυσιολογία και ηλεκτροφυσιολογία, όχι ως κλινική καθοδήγηση.

Core questions

• Ποια ιοντικά ρεύματα παράγουν την ανερχόμενη φάση, την επαναπόλωση και τη μετα-υπερπόλωση του δυναμικού ενέργειας;
• Πώς αποτυπώνουν οι μεταβλητές ελέγχου πυλών Hodgkin-Huxley (m, h, n) τη χρονική πορεία αγωγιμοτήτων νατρίου και καλίου;
• Γιατί η μεμβράνη ξεπερνά το μηδέν και πλησιάζει το δυναμικό ισορροπίας νατρίου κατά την ανερχόμενη φάση;

Key concepts

• Ανερχόμενη αποπόλωση
• Υπερπόλωση πέραν μηδενός
• Επαναπόλωση
• Μετα-υπερπόλωση
• Αγωγιμότητες νατρίου και καλίου
• Μεταβλητές ελέγχου πυλών (m, h, n)
• Δυναμικά ισορροπίας (Nernst)

Key theories

Μοντέλο Hodgkin-Huxley

Ποσοτική περιγραφή κατά την οποία το ρεύμα μεμβράνης είναι άθροισμα συνιστωσών νατρίου, καλίου και διαρροής, με αγωγιμότητες που διέπονται από τάσιο- και χρόνο-εξαρτώμενες μεταβλητές ελέγχου πυλών· οι εξισώσεις αναπαράγουν το δυναμικό ενέργειας, το κατώφλι του και την αγωγή του.

Υπόθεση νατρίου

Η πρόταση ότι η ανερχόμενη φάση και η υπερπόλωση του δυναμικού ενέργειας παράγονται από παροδική αύξηση της διαπερατότητας της μεμβράνης στο νάτριο, οδηγώντας το δυναμικό προς το δυναμικό ισορροπίας νατρίου.

Mechanisms

Όταν η αποπόλωση φθάσει το κατώφλι, τα τάσιο-ελεγχόμενα κανάλια νατρίου ανοίγουν ταχύτατα· η προκύπτουσα εισροή νατρίου είναι αναγεννητική, αποπολώνει τη μεμβράνη περαιτέρω προς το δυναμικό ισορροπίας νατρίου και παράγει τη στεφανόμορφη ανερχόμενη φάση και υπερπόλωση. Οι Hodgkin και Katz απέδειξαν πρώτοι ότι η ανερχόμενη φάση εξαρτάται από το εξωκυττάριο νάτριο. Τα κανάλια νατρίου αδρανοποιούνται έπειτα ενώ τα τάσιο-ελεγχόμενα κανάλια καλίου ανοίγουν πιο αργά, οπότε η εκροή καλίου επαναπολώνει τη μεμβράνη· η συνεχιζόμενη αγωγιμότητα καλίου μπορεί να οδηγήσει το δυναμικό παροδικά κάτω από το επίπεδο ηρεμίας, προκαλώντας μετα-υπερπόλωση. Οι Hodgkin και Huxley απομόνωσαν πειραματικά αυτά τα ρεύματα και εκπροσώπησαν κάθε αγωγιμότητα με μεταβλητές ελέγχου πυλών, της οποίας η τάσιο- και χρόνο-εξάρτηση αναπαρήγαγε την πλήρη ακολουθία φάσεων και τον μεταδιδόμενο κώδωνα.

Clinical relevance

Η κατανόηση της ιοντικής βάσης κάθε φάσης δυναμικού ενέργειας αποτελεί θεμέλιο για την ερμηνεία της διεγερσιμότητας και για τον τρόπο με τον οποίο μεταβολές ρευμάτων νατρίου ή καλίου μεταβάλλουν την εκπυρσοκρότηση. Το παρόν λήμμα αποτελεί περιγραφικό υλικό αναφοράς για τον κανονικό μηχανισμό και δεν αποτελεί βάση για εξατομικευμένες κλινικές αποφάσεις.

Evidence & guidelines

Η φασική δομή και η ιοντική της βάση προέρχονται από τις μελέτες στήριξης τάσης (voltage-clamp) Hodgkin-Huxley στον άξονα του καλαμαριού και από μεταγενέστερες επισκοπήσεις δυναμικών ενέργειας σε θηλαστικά νευρώνια· πρόκειται για μηχανιστικές μελέτες και όχι κλινικές κατευθυντήριες οδηγίες.

History

Μετά την απόδειξη των Hodgkin και Katz το 1949 ότι η υπερπόλωση εξαρτάται από το εξωκυττάριο νάτριο, οι Hodgkin και Huxley χρησιμοποίησαν την τεχνική στήριξης τάσης στον γιγαντιαίο άξονα του καλαμαριού για να απομονώσουν τα ρεύματα νατρίου και καλίου, και το 1952 να τα εκφράσουν ως σύστημα εξισώσεων. Το μοντέλο αυτό αναπαρήγαγε το σχήμα, το κατώφλι, την ανθεκτικότητα και την ταχύτητα αγωγής του δυναμικού ενέργειας, και παραμένει θεμέλιο της υπολογιστικής νευροφυσιολογίας.

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

Τι προκαλεί την ανερχόμενη φάση του δυναμικού ενέργειας;

Αναγεννητική εισροή ιόντων νατρίου μέσα από ταχέως ανοιγόμενα τάσιο-ελεγχόμενα κανάλια νατρίου, που ωθεί το δυναμικό μεμβράνης προς το δυναμικό ισορροπίας νατρίου.

Γιατί εμφανίζεται μετα-υπερπόλωση;

Τα τάσιο-ελεγχόμενα κανάλια καλίου παραμένουν ανοιχτά αφού η μεμβράνη έχει επαναπολωθεί, και η συνεχιζόμενη εκροή καλίου μπορεί να οδηγήσει παροδικά το δυναμικό κάτω από το επίπεδο ηρεμίας πριν κλείσουν τα κανάλια.