فصل ۵ — پتانسیل‌های غشایی و پتانسیل‌های عمل

در شکل ۵٫۱A غلظت پتاسیم در داخل غشای یک رشتهٔ عصبی بسیار بیشتر از بیرون غشا است. فرض کنید غشا در این حالت نسبت به یون‌های پتاسیم نفوذپذیر باشد، اما نسبت به سایر یون‌ها نفوذپذیر نباشد. به‌علت گرادیان بزرگ غلظت پتاسیم از داخل به خارج، تمایل شدیدی برای انتشار K⁺ به بیرون وجود دارد. با خروج K⁺، بار مثبت به خارج منتقل می‌شود؛ بنابراین بیرون غشا الکتروپوزیتیو و داخل غشا به‌علت باقی‌ماندن آنیون‌های منفیِ غیرقابل انتشار، الکترونگاتیو می‌شود.

در حدود ۱ میلی‌ثانیه، اختلاف پتانسیل میان داخل و خارج، که «پتانسیل انتشار» نام دارد، به اندازه‌ای بزرگ می‌شود که با وجود گرادیان زیاد K⁺، از انتشار خالص بیشتر پتاسیم به بیرون جلوگیری کند. در رشتهٔ عصبی طبیعی پستانداران، این اختلاف پتانسیل حدود ۹۴ میلی‌ولت است و داخل غشا منفی است.

شکل ۵٫۱B همین پدیده را در حالتی نشان می‌دهد که غلظت Na⁺ در خارج بیشتر از داخل است. این بار غشا نسبت به سدیم بسیار نفوذپذیر و نسبت به سایر یون‌ها غیرنفوذپذیر فرض می‌شود. انتشار یون‌های سدیمِ دارای بار مثبت به داخل، پتانسیلی با قطبیت برعکس ایجاد می‌کند: بیرون منفی و داخل مثبت می‌شود. ظرف چند میلی‌ثانیه، پتانسیل غشا آن‌قدر بالا می‌رود که انتشار خالص بیشتر سدیم به داخل را متوقف کند؛ در رشتهٔ عصبی پستانداران این مقدار حدود ۶۱ میلی‌ولت مثبت در داخل است.

بنابراین اختلاف غلظت یون‌ها در دو سوی یک غشای انتخاباً تراوا می‌تواند در شرایط مناسب پتانسیل غشایی ایجاد کند. بسیاری از تغییرات سریع پتانسیل غشا که هنگام انتقال ایمپالس عصبی و عضلانی دیده می‌شوند، حاصل همین پتانسیل‌های انتشارِ سریعاً متغیرند.

روش اندازه‌گیری پتانسیل غشا از نظر تئوری ساده است، اما در عمل به‌علت اندازهٔ کوچک بیشتر سلول‌ها و رشته‌ها دشوار است. در شکل ۵٫۲ میکروپیپت کوچکی پر از محلول الکترولیتی دیده می‌شود که از غشای سلول عبور داده شده و نوک آن در داخل رشته قرار می‌گیرد. الکترود دیگری به نام الکترود بی‌تفاوت یا مرجع در مایع خارج‌سلولی قرار داده می‌شود و اختلاف پتانسیل داخل و خارج رشته با ولت‌متر مناسب اندازه‌گیری می‌شود.

این ولت‌متر باید بتواند ولتاژهای بسیار کوچک را با وجود مقاومت بسیار زیاد جریان الکتریکی در نوک میکروپیپت اندازه‌گیری کند. قطر لومن نوک میکروپیپت معمولاً کمتر از ۱ میکرومتر و مقاومت آن بیش از ۱ میلیون اهم است. برای ثبت تغییرات سریع پتانسیل غشا در جریان ایمپالس عصبی، میکروالکترود به اسیلوسکوپ متصل می‌شود.

قسمت پایین شکل ۵٫۳ پتانسیل اندازه‌گیری‌شده در نقاط مختلف داخل و اطراف رشتهٔ عصبی را نشان می‌دهد. تا زمانی که الکترود خارج غشای نورون است، پتانسیل ثبت‌شده صفر و برابر پتانسیل مایع خارج‌سلولی است. هنگامی که الکترود از ناحیهٔ تغییر ولتاژ در غشای سلول، یعنی «لایهٔ دوقطبی الکتریکی»، عبور می‌کند، پتانسیل ناگهان به ۷۰− میلی‌ولت کاهش می‌یابد.

در مرکز رشته، پتانسیل روی ۷۰− میلی‌ولت ثابت می‌ماند و به‌محض عبور الکترود از غشای سمت مقابل، دوباره به صفر بازمی‌گردد.

برای ایجاد پتانسیل منفی داخل غشا، فقط کافی است آن‌قدر یون مثبت به بیرون منتقل شود که لایهٔ دوقطبی الکتریکی در خود غشا ایجاد شود. بقیهٔ یون‌های داخل رشته می‌توانند هم مثبت و هم منفی باشند. بنابراین انتقال تعداد فوق‌العاده ناچیزی از یون‌ها از غشا برای ایجاد پتانسیل استراحت طبیعی ۷۰− میلی‌ولت کافی است.

فقط حدود یک‌سوم میلیونیم تا یک‌صدم میلیونیم از کل بارهای مثبت داخل رشته باید منتقل شوند. همچنین حرکت تعداد بسیار کمی یون مثبت از بیرون به داخل می‌تواند در مدت فقط یک‌ده‌هزارم ثانیه، پتانسیل را از ۷۰− به حدود ۳۵+ میلی‌ولت معکوس کند. جابه‌جایی سریع یون‌ها به این روش اساس پیام‌های عصبی است.

پتانسیل غشای استراحت رشته‌های عصبی بزرگ، زمانی که پیام عصبی منتقل نمی‌کنند، حدود ۷۰− میلی‌ولت است؛ یعنی پتانسیل داخل رشته ۷۰ میلی‌ولت منفی‌تر از مایع خارج‌سلولیِ اطراف آن است.

سطح این پتانسیل به ویژگی‌های انتقالی غشای استراحت نسبت به سدیم و پتاسیم و عوامل دیگری که در ادامه توضیح داده می‌شوند وابسته است.

پمپ سدیم–پتاسیم

همهٔ غشاهای سلولی بدن دارای پمپ قدرتمند Na⁺–K⁺ هستند که به‌طور پیوسته Na⁺ را به خارج و K⁺ را به داخل سلول منتقل می‌کند. این پمپ الکتروژنیک است، زیرا به ازای ورود دو K⁺، سه Na⁺ را به بیرون می‌فرستد و در نتیجه کسری خالص از بار مثبت در داخل باقی می‌گذارد و داخل غشا را منفی می‌کند.

پمپ همچنین گرادیان‌های غلظتی بزرگ سدیم و پتاسیم را در غشای استراحت ایجاد می‌کند:

نفوذپذیری غشای رشتهٔ عصبی نسبت به K⁺ حدود ۱۰۰ برابر Na⁺ است. این اختلاف نفوذپذیری، عامل کلیدی در تعیین پتانسیل طبیعی استراحت است.

سهم پتانسیل انتشار پتاسیم

در شکل ۵٫۵A فرض می‌شود تنها حرکت یون‌ها از غشا، انتشار K⁺ باشد. نسبت غلظت پتاسیم داخل به خارج ۳۵ به ۱ است. لگاریتم ۳۵ برابر ۱٫۵۴ و حاصل ضرب آن در ۶۱− میلی‌ولت برابر حدود ۹۴− میلی‌ولت است. بنابراین اگر K⁺ تنها عامل ایجاد پتانسیل استراحت بود، پتانسیل داخل رشته حدود ۹۴− میلی‌ولت می‌شد.

سهم انتشار سدیم

شکل ۵٫۵B نفوذپذیری اندک غشا نسبت به Na⁺ را نیز اضافه می‌کند که ناشی از مقدار بسیار کم انتشار سدیم از کانال‌های نشت K⁺–Na⁺ است. نسبت سدیم داخل به خارج ۰٫۱ است که پتانسیل نرنست محاسبه‌شدهٔ سدیم را حدود ۶۱+ میلی‌ولت می‌کند.

از آنجا که نفوذپذیری غشا نسبت به K⁺ تقریباً ۱۰۰ برابر Na⁺ است، سهم انتشار پتاسیم در تعیین پتانسیل بسیار بیشتر است. با واردکردن این نفوذپذیری‌ها در معادلهٔ گلدمن و درنظرگرفتن Na⁺ و K⁺، پتانسیل داخل غشا حدود ۸۶− میلی‌ولت به دست می‌آید؛ مقداری نزدیک به پتانسیل پتاسیم.

سهم پمپ Na⁺–K⁺

شکل ۵٫۵C سهم اضافی پمپ Na⁺–K⁺ را نشان می‌دهد. خروج سه Na⁺ به ازای ورود دو K⁺ باعث خروج خالص بار مثبت از داخل می‌شود و حدود ۴ میلی‌ولت منفی دیگر به پتانسیل داخل اضافه می‌کند.

بنابراین با اثر همزمان انتشار و پمپ، پتانسیل خالص غشا حدود ۹۰− میلی‌ولت است. یون‌های دیگری مانند Cl⁻ نیز در محاسبهٔ نهایی سهم دارند.

در مجموع، انتشار Na⁺ و K⁺ به‌تنهایی حدود ۸۶− میلی‌ولت ایجاد می‌کند که تقریباً تمام آن توسط K⁺ تعیین می‌شود؛ پمپ الکتروژنیک Na⁺–K⁺ نیز حدود ۴− میلی‌ولت دیگر اضافه می‌کند. پتانسیل استراحت در سلول‌های مختلف از حدود ۱۰− میلی‌ولت در اریتروسیت‌ها تا حدود ۹۰− میلی‌ولت در عضلهٔ اسکلتی متغیر است.

پیام‌های عصبی به‌وسیلهٔ پتانسیل‌های عمل منتقل می‌شوند؛ یعنی تغییرات سریع پتانسیل غشا که به‌سرعت در امتداد غشای رشتهٔ عصبی انتشار می‌یابند. هر پتانسیل عمل با تغییر ناگهانی پتانسیل منفی طبیعی استراحت به سمت پتانسیل مثبت آغاز می‌شود و با بازگشت تقریباً به همان سرعت به پتانسیل منفی پایان می‌یابد. برای انتقال یک پیام عصبی، پتانسیل عمل در امتداد رشته حرکت می‌کند تا به انتهای آن برسد.

بخش بالایی شکل ۵٫۶ تغییرات بارها در غشا را هنگام پتانسیل عمل نشان می‌دهد: در آغاز بارهای مثبت به داخل رشته منتقل می‌شوند و در پایان دوباره به بیرون بازمی‌گردند. بخش پایین، تغییرات پیاپی پتانسیل غشا طی چند میلی‌ثانیه را نشان می‌دهد و شروع انفجاری پتانسیل عمل و بهبود تقریباً به همان سرعت را نمایش می‌دهد.

مراحل پتانسیل عمل

مرحلهٔ استراحت

مرحلهٔ استراحت همان پتانسیل غشای استراحت پیش از آغاز پتانسیل عمل است. در این مرحله غشا به‌علت پتانسیل منفی حدود ۷۰− میلی‌ولت «پلاریزه» نامیده می‌شود.

مرحلهٔ دپولاریزاسیون

پتانسیل عمل زمانی آغاز می‌شود که محرک، غشا را تا سطح آستانه ــ معمولاً حدود ۵۵− میلی‌ولت ــ دپولاریزه کند. در این زمان غشا ناگهان نسبت به Na⁺ نفوذپذیر می‌شود و سدیمِ دارای بار مثبت به‌سرعت به داخل آکسون انتشار می‌یابد.

حالت پلاریزهٔ طبیعی ۷۰− میلی‌ولت فوراً توسط ورود بارهای مثبت خنثی می‌شود و پتانسیل به‌سرعت در جهت مثبت بالا می‌رود؛ این فرایند دپولاریزاسیون نام دارد. در رشته‌های عصبی بزرگ، ورود زیاد Na⁺ باعث می‌شود پتانسیل از صفر عبور کرده و مقداری مثبت شود که Overshoot نام دارد. در برخی رشته‌های کوچک‌تر و بسیاری از نورون‌های CNS، پتانسیل فقط به صفر نزدیک می‌شود و وارد ناحیهٔ مثبت نمی‌شود.

مرحلهٔ رپولاریزاسیون

کمتر از یک میلی‌ثانیه پس از افزایش شدید نفوذپذیری به Na⁺، کانال‌های سدیم شروع به بسته‌شدن می‌کنند و کانال‌های پتاسیم بیش از حالت طبیعی باز می‌شوند. انتشار سریع K⁺ به خارج، پتانسیل منفی استراحت را بازمی‌گرداند؛ این فرایند رپولاریزاسیون نام دارد.

کانال‌های K⁺ ممکن است کمی طولانی‌تر از مقدار لازم باز بمانند و پتانسیل را از مقدار استراحت منفی‌تر کنند؛ این حالت هایپرپولاریزاسیون یا Undershoot است. با بسته‌شدن کانال‌های پتاسیم، خروج K⁺ کاهش می‌یابد و پتانسیل به مقدار طبیعی استراحت برمی‌گردد.

کانال سدیمی وابسته به ولتاژ عامل اساسی دپولاریزاسیون و رپولاریزاسیون غشای عصبی در جریان پتانسیل عمل است. کانال پتاسیمی وابسته به ولتاژ نیز در سریع‌ترشدن رپولاریزاسیون نقش مهمی دارد. این دو کانال جدا از پمپ Na⁺–K⁺ و کانال‌های نشت K⁺ هستند.

فعال‌سازی و غیرفعال‌سازی کانال سدیمی وابسته به ولتاژ

بخش بالایی شکل ۵٫۷ کانال سدیمی وابسته به ولتاژ را در سه حالت نشان می‌دهد. این کانال دو دریچه دارد: یکی نزدیک سمت خارجی کانال که دریچهٔ فعال‌سازی نام دارد و دیگری نزدیک سمت داخلی که دریچهٔ غیرفعال‌سازی نامیده می‌شود. در غشای طبیعیِ در حال استراحت و پتانسیل ۷۰− میلی‌ولت، دریچهٔ فعال‌سازی بسته است و از ورود Na⁺ از این کانال‌ها جلوگیری می‌کند.

فعال‌شدن کانال سدیمی

وقتی پتانسیل غشا نسبت به حالت استراحت کمتر منفی شود و از ۷۰− میلی‌ولت به سمت صفر بالا رود، در نهایت به ولتاژ آستانه، اغلب حدود ۱۵ میلی‌ولت بالاتر از پتانسیل استراحت، می‌رسد. این تغییر باعث تغییر شکل ناگهانی دریچهٔ فعال‌سازی و بازشدن کامل آن می‌شود. در این حالت Na⁺ می‌تواند به داخل جریان یابد و نفوذپذیری غشا نسبت به سدیم تا ۵۰۰ تا ۵۰۰۰ برابر افزایش پیدا کند.

غیرفعال‌شدن کانال سدیمی

همان افزایش ولتاژی که دریچهٔ فعال‌سازی را باز می‌کند، دریچهٔ غیرفعال‌سازی را نیز می‌بندد؛ اما بسته‌شدن دریچهٔ غیرفعال‌سازی چند ده‌هزارم ثانیه پس از بازشدن دریچهٔ فعال‌سازی رخ می‌دهد. بنابراین تغییر شکل لازم برای بستن دریچهٔ غیرفعال‌سازی از تغییر شکل لازم برای بازکردن دریچهٔ فعال‌سازی آهسته‌تر است.

پس از آنکه کانال سدیمی برای چند ده‌هزارم ثانیه باز ماند، دریچهٔ غیرفعال‌سازی بسته می‌شود و دیگر Na⁺ نمی‌تواند به داخل غشا جریان پیدا کند. از این نقطه پتانسیل غشا به سمت حالت استراحت بازمی‌گردد؛ یعنی فرایند رپولاریزاسیون آغاز می‌شود.

ویژگی مهم دیگر این است که دریچهٔ غیرفعال‌سازی تا زمانی که پتانسیل غشا به مقدار اولیهٔ استراحت یا نزدیک آن برنگردد دوباره باز نمی‌شود. بنابراین معمولاً کانال‌های Na⁺ بدون رپولاریزه‌شدن رشته نمی‌توانند دوباره باز شوند.

کانال پتاسیمی وابسته به ولتاژ و فعال‌شدن آن

بخش پایین شکل ۵٫۷ کانال K⁺ وابسته به ولتاژ را در دو حالت نشان می‌دهد: حالت استراحت و اواخر پتانسیل عمل. در حالت استراحت دریچهٔ کانال پتاسیم بسته است و از عبور K⁺ از این کانال به بیرون جلوگیری می‌کند.

وقتی پتانسیل غشا از ۷۰− میلی‌ولت به سمت صفر بالا می‌رود، تغییر ولتاژ باعث تغییر شکل و بازشدن دریچه می‌شود و انتشار K⁺ به بیرون افزایش می‌یابد. بازشدن کانال‌های پتاسیمی کمی تأخیر دارد؛ بنابراین معمولاً زمانی باز می‌شوند که کانال‌های سدیمی به‌علت غیرفعال‌شدن در حال بسته‌شدن هستند.

کاهش ورود Na⁺ و افزایش همزمان خروج K⁺ با هم رپولاریزاسیون را سریع می‌کنند و پتانسیل استراحت در چند ده‌هزارم ثانیهٔ دیگر بازمی‌گردد.

Voltage Clamp برای اندازه‌گیری اثر ولتاژ بر باز و بسته‌شدن کانال‌ها

پژوهش‌های اصلی دربارهٔ کانال‌های سدیمی و پتاسیمی آن‌قدر نوآورانه بودند که برای Alan Hodgkin و Andrew Huxley در سال ۱۹۶۳ جایزهٔ نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را به همراه داشتند. اساس این مطالعات در شکل‌های ۵٫۸ و ۵٫۹ نشان داده شده است.

در روش Voltage Clamp دو الکترود داخل رشتهٔ عصبی قرار داده می‌شوند. یکی پتانسیل غشا را اندازه می‌گیرد و دیگری جریان الکتریکی را وارد رشته یا از آن خارج می‌کند.

پژوهشگر ولتاژ موردنظر داخل رشته را انتخاب می‌کند. بخش الکترونیکی دستگاه طوری تنظیم می‌شود که برای نگه‌داشتن ولتاژ در همان سطح، هر مقدار بار مثبت یا منفی لازم را به‌طور خودکار از طریق الکترود جریان تزریق کند.

اگر پتانسیل غشا با Voltage Clamp ناگهان از ۷۰− میلی‌ولت به صفر برسد، کانال‌های Na⁺ و K⁺ وابسته به ولتاژ باز می‌شوند و یون‌ها شروع به حرکت می‌کنند. برای خنثی‌کردن اثر این جریان‌های یونی بر ولتاژ داخل، دستگاه جریانی برابر اما با قطبیت مخالف تزریق می‌کند تا ولتاژ در صفر ثابت بماند. آمپرمتر متصل به الکترود جریان مقدار این جریان جبرانی را ثبت می‌کند و بنابراین می‌توان جریان واقعی عبوری از کانال‌ها را در هر لحظه اندازه گرفت.

پژوهشگر سپس غلظت یون‌ها را در داخل و خارج رشته تغییر می‌دهد و مطالعه را تکرار می‌کند. این آزمایش در رشته‌های عصبی بزرگِ جداشده از بعضی بی‌مهرگان، به‌ویژه آکسون غول‌پیکر ماهی مرکب که گاهی قطرش به ۱ میلی‌متر می‌رسد، آسان‌تر است.

اگر Na⁺ تنها یون قابل نفوذ در محلول‌های داخل و خارج آکسون باشد، Voltage Clamp فقط جریان کانال‌های سدیمی را اندازه می‌گیرد. اگر K⁺ تنها یون قابل نفوذ باشد، فقط جریان کانال‌های پتاسیمی ثبت می‌شود.

راه دیگر برای بررسی جریان یک نوع کانال، بلوک‌کردن انتخابی کانال دیگر است. تترودوتوکسین وقتی از خارج غشا اعمال شود کانال‌های Na⁺ را در محل دریچهٔ فعال‌سازی می‌بندد. در مقابل، یون تترااتیل‌آمونیوم وقتی از داخل رشته اعمال شود کانال‌های K⁺ را بلوک می‌کند.

شکل ۵٫۹ تغییرات تیپیک هدایت کانال‌های Na⁺ و K⁺ را نشان می‌دهد، وقتی پتانسیل غشا با Voltage Clamp ناگهان از ۷۰− به ۱۰+ میلی‌ولت و ۲ میلی‌ثانیه بعد دوباره به ۷۰− میلی‌ولت تغییر داده می‌شود. کانال‌های Na⁺ در کسری کوچک از میلی‌ثانیه پس از مثبت‌شدن ولتاژ ناگهان باز می‌شوند، اما در حدود یک میلی‌ثانیهٔ بعد به‌طور خودکار غیرفعال و بسته می‌شوند.

کانال‌های K⁺ آهسته‌تر باز می‌شوند و زمانی به حالت کاملاً باز می‌رسند که کانال‌های Na⁺ تقریباً کاملاً بسته شده‌اند. پس از بازشدن، کانال‌های پتاسیم در تمام مدت مثبت‌بودن پتانسیل باز می‌مانند و فقط پس از برگشت پتانسیل به مقدار منفی بسته می‌شوند.

شکل ۵٫۱۰ توالی رویدادهای حین و اندکی پس از پتانسیل عمل را خلاصه می‌کند. در حالت استراحت و پیش از آغاز پتانسیل عمل، هدایت K⁺ حدود ۵۰ تا ۱۰۰ برابر هدایت Na⁺ است؛ علت این اختلاف، نشت بسیار بیشتر K⁺ نسبت به Na⁺ از کانال‌های نشت است.

در آغاز پتانسیل عمل، کانال‌های سدیمی تقریباً بلافاصله فعال می‌شوند و هدایت Na⁺ تا ۵۰۰۰ برابر افزایش می‌یابد. سپس فرایند غیرفعال‌سازی در کسری از میلی‌ثانیه کانال‌های Na⁺ را می‌بندد.

آغاز پتانسیل عمل همزمان کانال‌های K⁺ را نیز به‌صورت وابسته به ولتاژ فعال می‌کند، اما این کانال‌ها با تأخیر و آهسته‌تر، بخشی از میلی‌ثانیه پس از کانال‌های سدیم، باز می‌شوند. در پایان پتانسیل عمل و با بازگشت پتانسیل به منفی، کانال‌های K⁺ نیز پس از حدود یک میلی‌ثانیه یا بیشتر به حالت اولیه بازمی‌گردند.

بخش میانی شکل ۵٫۱۰ نسبت هدایت Na⁺ به K⁺ را در هر لحظه نشان می‌دهد. در ابتدای پتانسیل عمل این نسبت بیش از ۱۰۰۰ برابر افزایش می‌یابد؛ بنابراین Na⁺ بسیار بیشتر به داخل وارد می‌شود تا K⁺ به خارج برود و پتانسیل غشا مثبت می‌شود.

سپس کانال‌های Na⁺ بسته و کانال‌های K⁺ باز می‌شوند؛ نسبت هدایت شدیداً به نفع پتاسیم تغییر می‌کند. در نتیجه K⁺ به‌سرعت به خارج می‌رود، درحالی‌که ورود Na⁺ تقریباً صفر می‌شود و پتانسیل عمل سریعاً به خط پایه بازمی‌گردد.

نقش یون‌های دیگر در پتانسیل عمل

تا اینجا فقط نقش Na⁺ و K⁺ در ایجاد پتانسیل عمل بررسی شد، اما دست‌کم دو گروه دیگر نیز باید در نظر گرفته شوند: یون‌های منفی و یون‌های کلسیم.

آنیون‌های منفی غیرقابل نفوذ داخل آکسون

داخل آکسون یون‌های منفی فراوانی وجود دارد که نمی‌توانند از کانال‌های غشا عبور کنند؛ از جمله آنیون‌های پروتئین‌ها، بسیاری از ترکیبات فسفات آلی و ترکیبات سولفات. چون این یون‌ها نمی‌توانند داخل آکسون را ترک کنند، هر کمبود بار مثبت در داخل غشا باعث باقی‌ماندن مازاد آنیون‌های منفیِ غیرقابل نفوذ می‌شود. بنابراین این یون‌های منفی در زمانی که کمبود خالص K⁺ و سایر یون‌های مثبت داخل رشته وجود دارد، مسئول بار منفی داخل‌اند.

پمپ Ca²⁺ و کانال‌های Ca²⁺ وابسته به ولتاژ

غشای تقریباً همهٔ سلول‌های بدن پمپ Ca²⁺ مشابه پمپ سدیم دارد. Ca²⁺ در بعضی سلول‌ها همراه با یا به‌جای Na⁺ بخش عمدهٔ پتانسیل عمل را ایجاد می‌کند. پمپ Ca²⁺ این یون را از داخل به خارج سلول یا به داخل شبکهٔ آندوپلاسمی منتقل می‌کند و گرادیانی حدود ۱۰٬۰۰۰ برابر ایجاد می‌کند. غلظت داخل سلول حدود 10⁻⁷ مولار و خارج سلول حدود 10⁻³ مولار است.

به‌دلیل اختلاف بیش از ۱۰٬۰۰۰ برابری غلظت، نیروی انتشار و نیروی الکتروشیمیایی بسیار بزرگی برای ورود Ca²⁺ وجود دارد. کانال‌های Ca²⁺ وابسته به ولتاژ کمی به Na⁺ نیز نفوذپذیرند، اما در شرایط فیزیولوژیک نفوذپذیری آن‌ها به Ca²⁺ حدود ۱۰۰۰ برابر بیشتر از Na⁺ است.

با بازشدن این کانال‌ها در پاسخ به محرکی که غشا را دپولاریزه می‌کند، Ca²⁺ به داخل سلول جریان می‌یابد. این کانال‌ها در بعضی سلول‌ها در فاز دپولاریزاسیون پتانسیل عمل نقش مهمی دارند، اما فعال‌شدن آن‌ها نسبتاً آهسته است و ۱۰ تا ۲۰ برابر بیشتر از کانال‌های سدیمی زمان می‌برد. به همین دلیل اغلب «کانال‌های آهسته» و کانال‌های Na⁺ «کانال‌های سریع» نامیده می‌شوند.

کانال‌های Ca²⁺ در عضلهٔ قلبی و عضلهٔ صاف فراوان‌اند. در بعضی انواع عضلهٔ صاف، کانال‌های سریع Na⁺ تقریباً وجود ندارند و پتانسیل عمل تقریباً به‌طور کامل با فعال‌شدن کانال‌های آهستهٔ Ca²⁺ ایجاد می‌شود.

کاهش Ca²⁺ خارج‌سلولی، نفوذپذیری کانال‌های سدیم را افزایش می‌دهد

در هیپوکلسمی، کانال‌های سدیمی با افزایش کوچکی در پتانسیل غشا از مقدار بسیار منفی استراحت فعال می‌شوند؛ بنابراین رشتهٔ عصبی بسیار تحریک‌پذیر شده و ممکن است بدون محرک به‌طور تکراری تخلیه شود.

اگر غلظت Ca²⁺ حدود ۵۰ درصد پایین‌تر از طبیعی شود، در بعضی اعصاب محیطی تخلیهٔ خودبه‌خودی ایجاد می‌شود و ممکن است تتانی عضلانی رخ دهد. تتانی گاهی کشنده است، زیرا می‌تواند عضلات تنفسی را نیز دچار انقباض تتانیک کند.

Ca²⁺ با اتصال به سطح خارجی پروتئین کانال سدیم، فعالیت کانال را کاهش می‌دهد و ولتاژ بیشتری برای بازشدن دریچه لازم می‌کند. در هیپوکلسمی این مهار از بین می‌رود و سلول‌های تحریک‌پذیر مانند نورون‌ها بیش‌تحریک‌پذیر می‌شوند.

تا اینجا تغییر نفوذپذیری Na⁺ و K⁺ و ایجاد پتانسیل عمل توضیح داده شد، اما آغازکنندهٔ پتانسیل عمل چیست؟

چرخهٔ بازخورد مثبت کانال‌های سدیمی را باز می‌کند

تا زمانی که غشای رشتهٔ عصبی دست‌نخورده بماند، در عصب طبیعی پتانسیل عمل رخ نمی‌دهد. اما اگر هر رویدادی پتانسیل را به اندازهٔ کافی از ۷۰− میلی‌ولت به سمت صفر بالا ببرد، کانال‌های Na⁺ وابسته به ولتاژ شروع به بازشدن می‌کنند.

ورود سریع Na⁺ باعث افزایش بیشتر پتانسیل غشا می‌شود؛ این افزایش کانال‌های سدیمی بیشتری را باز می‌کند و Na⁺ بیشتری وارد می‌شود. بنابراین یک چرخهٔ بازخورد مثبت ایجاد می‌شود که وقتی به اندازهٔ کافی قوی شود، تا فعال‌شدن تقریباً همهٔ کانال‌های Na⁺ ادامه می‌یابد.

در کسری از میلی‌ثانیه بعد، افزایش پتانسیل باعث بسته‌شدن کانال‌های Na⁺ و بازشدن کانال‌های K⁺ می‌شود و پتانسیل عمل به‌سرعت پایان می‌یابد.

پتانسیل عمل فقط پس از رسیدن به آستانه آغاز می‌شود

پتانسیل عمل تا زمانی ایجاد نمی‌شود که افزایش اولیهٔ پتانسیل به حدی برسد که بازخورد مثبت را آغاز کند. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که تعداد یون‌های Na⁺ واردشونده از تعداد K⁺ خارج‌شونده بیشتر شود.

معمولاً افزایش ناگهانی ۱۵ تا ۳۰ میلی‌ولت لازم است. بنابراین بالا رفتن پتانسیل یک رشتهٔ عصبی بزرگ از ۷۰− به حدود ۵۵− میلی‌ولت معمولاً باعث ایجاد انفجاری پتانسیل عمل می‌شود. مقدار ۵۵− میلی‌ولت آستانهٔ تحریک نام دارد.

پتانسیل عملی که در یک نقطه از غشای تحریک‌پذیر ایجاد شود معمولاً بخش‌های مجاور را نیز تحریک می‌کند و به این ترتیب در امتداد غشا منتشر می‌شود.

شکل ۵٫۱۱A یک رشتهٔ عصبی در حالت استراحت و ۵٫۱۱B رشته‌ای را نشان می‌دهد که در بخش میانی تحریک شده و نفوذپذیری سدیمی آن ناگهان افزایش یافته است. فلش‌ها مدارهای موضعی جریان را از ناحیهٔ دپولاریزه به نواحی مجاورِ در حال استراحت نشان می‌دهند.

بارهای مثبت ناشی از ورود Na⁺ از غشای دپولاریزه، در محور مرکزی آکسون چند میلی‌متر در هر دو جهت پخش می‌شوند. این بارها در رشتهٔ میلین‌دار بزرگ، ولتاژ داخل را در فاصلهٔ ۱ تا ۳ میلی‌متر بالاتر از آستانه می‌برند؛ در نتیجه کانال‌های Na⁺ در این نواحی بلافاصله باز می‌شوند و پتانسیل عمل جدید ایجاد می‌شود.

نواحی جدید دپولاریزه، مدارهای جریان موضعی بیشتری در امتداد غشا ایجاد می‌کنند و به این ترتیب دپولاریزاسیون در سراسر طول رشته پیش می‌رود. انتقال این فرایند در امتداد عصب یا عضله «ایمپالس عصبی یا عضلانی» نام دارد.

جهت انتشار

غشای تحریک‌پذیر جهت واحدی برای انتشار ندارد. پتانسیل عمل از محل محرک در همهٔ جهات دور می‌شود، حتی در همهٔ شاخه‌های یک رشتهٔ عصبی، تا تمام بخش‌های قابل دسترس غشا دپولاریزه شوند.

اصل همه یا هیچ

وقتی پتانسیل عمل در یک نقطه از غشای یک رشتهٔ طبیعی ایجاد شود، اگر شرایط مناسب باشد دپولاریزاسیون در تمام غشا انتشار می‌یابد؛ اما اگر شرایط مناسب نباشد اصلاً منتشر نمی‌شود. این اصل «همه یا هیچ» است.

گاهی پتانسیل عمل به نقطه‌ای می‌رسد که ولتاژ ایجادشده برای تحریک ناحیهٔ بعدی کافی نیست و انتشار متوقف می‌شود. برای ادامهٔ انتشار، نسبت قدرت پتانسیل عمل به آستانهٔ تحریک باید همیشه بیشتر از ۱ باشد. این شرط «بیشتر از ۱» ضریب ایمنی هدایت نام دارد.

هر پتانسیل عمل در امتداد یک رشتهٔ عصبی اندکی اختلاف غلظت Na⁺ و K⁺ در دو سوی غشا را کاهش می‌دهد، زیرا Na⁺ هنگام دپولاریزاسیون وارد و K⁺ هنگام رپولاریزاسیون خارج می‌شود. اثر یک پتانسیل عمل آن‌قدر کوچک است که قابل اندازه‌گیری نیست.

در واقع، رشته‌های عصبی بزرگ می‌توانند حدود ۱۰۰٬۰۰۰ تا ۵۰ میلیون ایمپالس را منتقل کنند پیش از آنکه اختلاف غلظت‌ها آن‌قدر کاهش یابد که هدایت متوقف شود. بااین‌حال در نهایت گرادیان‌ها باید بازسازی شوند و این کار توسط پمپ Na⁺–K⁺ انجام می‌شود.

Na⁺ واردشده در جریان پتانسیل عمل دوباره به بیرون و K⁺ خارج‌شده دوباره به داخل منتقل می‌شود. چون این پمپ انرژی مصرف می‌کند، «شارژ مجدد» رشتهٔ عصبی یک فرایند متابولیک فعال وابسته به ATP است.

شکل ۵٫۱۲ نشان می‌دهد در زمان شارژ مجدد و با افزایش فرکانس ایمپالس‌ها، تولید گرما در رشتهٔ عصبی بیشتر می‌شود؛ این افزایش گرما شاخص افزایش مصرف انرژی است.

ویژگی مهم پمپ Na⁺–K⁺ ATPase این است که با تجمع Na⁺ اضافی در داخل سلول به‌شدت تحریک می‌شود. فعالیت پمپ تقریباً با توان سوم غلظت داخل‌سلولی Na⁺ افزایش می‌یابد. بنابراین اگر Na⁺ داخل از ۱۰ به ۲۰ mEq/L برسد، فعالیت پمپ فقط دو برابر نمی‌شود؛ بلکه حدود ۸ برابر افزایش می‌یابد. به همین دلیل وقتی گرادیان‌های Na⁺ و K⁺ شروع به کاهش کنند، بازسازی آن‌ها می‌تواند بسیار سریع انجام شود.

در بعضی موارد، غشای تحریک‌شده بلافاصله پس از دپولاریزاسیون رپولاریزه نمی‌شود. در عوض، پتانسیل برای چندین میلی‌ثانیه در نزدیکی قلهٔ Spike روی یک Plateau باقی می‌ماند و سپس رپولاریزاسیون آغاز می‌شود. چنین Plateauای در شکل ۵٫۱۳ دیده می‌شود و دورهٔ دپولاریزاسیون را به‌طور چشمگیری طولانی می‌کند.

این نوع پتانسیل عمل در رشته‌های عضلهٔ قلب رخ می‌دهد؛ Plateau می‌تواند تا ۰٫۲ تا ۰٫۳ ثانیه طول بکشد و باعث شود انقباض عضلهٔ قلب نیز تقریباً به همین مدت ادامه پیدا کند.

Plateau حاصل ترکیب چند عامل است. در عضلهٔ قلب دو نوع کانال در دپولاریزاسیون نقش دارند: ۱) کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژِ معمول، یعنی کانال‌های سریع؛ و ۲) کانال‌های کلسیم–سدیم وابسته به ولتاژ، یعنی کانال‌های L-type Ca²⁺، که آهسته باز می‌شوند و کانال‌های آهسته نام دارند.

بازشدن کانال‌های سریع، بخش Spike پتانسیل عمل را ایجاد می‌کند. بازماندن طولانی کانال‌های آهستهٔ کلسیم–سدیم عمدتاً اجازهٔ ورود Ca²⁺ را می‌دهد و مسئول بخش Plateau است.

عامل دیگر این است که کانال‌های K⁺ وابسته به ولتاژ در این حالت دیرتر از معمول باز می‌شوند و اغلب تا پایان Plateau بازشدن زیادی ندارند. این موضوع بازگشت پتانسیل به مقدار طبیعی منفی حدود ۷۰− میلی‌ولت را به تأخیر می‌اندازد. Plateau زمانی پایان می‌یابد که کانال‌های کلسیم–سدیم بسته شوند و نفوذپذیری K⁺ افزایش پیدا کند.

تخلیه‌های خودبه‌خودی و تکراری به‌طور طبیعی در قلب، بیشتر عضلات صاف و بسیاری از نورون‌های دستگاه عصبی مرکزی رخ می‌دهند. این تخلیه‌های ریتمیک باعث ضربان ریتمیک قلب، پریستالسیس ریتمیک روده و رویدادهای عصبی ریتمیک مانند کنترل تنفس می‌شوند.

تقریباً همهٔ بافت‌های تحریک‌پذیر دیگر نیز اگر آستانهٔ تحریک آن‌ها به اندازهٔ کافی پایین بیاید می‌توانند به‌طور تکراری تخلیه شوند. برای مثال، رشته‌های عصبی بزرگ و عضلهٔ اسکلتی که معمولاً بسیار پایدارند، اگر در محلول حاوی veratridine ــ فعال‌کنندهٔ کانال‌های Na⁺ ــ قرار گیرند یا اگر غلظت Ca²⁺ پایین‌تر از حد بحرانی شود، می‌توانند تخلیه‌های تکراری ایجاد کنند.

فرایند تحریک مجدد لازم برای ریتم‌زایی خودبه‌خودی

برای ایجاد ریتم خودبه‌خودی، غشا حتی در حالت طبیعی باید آن‌قدر به Na⁺ یا به Ca²⁺ و Na⁺ از طریق کانال‌های آهستهٔ کلسیم–سدیم نفوذپذیر باشد که دپولاریزاسیون خودکار رخ دهد.

در مرکز ریتمیک قلب، پتانسیل استراحت فقط حدود ۶۰− تا ۷۰− میلی‌ولت است؛ این مقدار آن‌قدر منفی نیست که کانال‌های Na⁺ و Ca²⁺ را کاملاً بسته نگه دارد. بنابراین توالی زیر رخ می‌دهد: ۱) مقداری Na⁺ و Ca²⁺ وارد می‌شوند؛ ۲) پتانسیل غشا به سمت مثبت می‌رود و نفوذپذیری بیشتر می‌شود؛ ۳) یون‌های بیشتری وارد می‌شوند؛ و ۴) نفوذپذیری باز هم افزایش می‌یابد تا پتانسیل عمل ایجاد شود.

در پایان پتانسیل عمل، غشا رپولاریزه می‌شود. پس از تأخیری در حد میلی‌ثانیه یا ثانیه، تحریک‌پذیری خودبه‌خودی دوباره دپولاریزاسیون را آغاز می‌کند و پتانسیل عمل جدیدی ایجاد می‌شود. این چرخه بارها تکرار می‌شود و ریتم خودبه‌خودی بافت را می‌سازد.

چرا پتانسیل بعدی بلافاصله پس از رپولاریزاسیون شروع نمی‌شود؟ در پایان هر پتانسیل عمل و برای مدت کوتاهی پس از آن، هدایت K⁺ افزایش می‌یابد. خروج K⁺ بارهای مثبت زیادی را از داخل خارج می‌کند و داخل را منفی‌تر از حالت معمول می‌سازد؛ یعنی غشا به سمت پتانسیل نرنست پتاسیم می‌رود.

این وضعیت هایپرپولاریزاسیون نام دارد و تقریباً تا ۱ ثانیه پس از پتانسیل عمل قبلی می‌تواند ادامه یابد. تا زمانی که هایپرپولاریزاسیون وجود دارد، تحریک مجدد خودبه‌خودی رخ نمی‌دهد. سپس هدایت K⁺ به‌تدریج کاهش می‌یابد، پتانسیل دوباره تا آستانه بالا می‌رود و پتانسیل عمل جدیدی ایجاد می‌شود.

رشته‌های میلین‌دار و بدون میلین

شکل ۵٫۱۵ مقطع یک تنهٔ عصبی کوچک را نشان می‌دهد. رشته‌های بزرگ بیشتر سطح مقطع را تشکیل می‌دهند، اما با دقت بیشتر تعداد بسیار بیشتری رشتهٔ کوچک میان آن‌ها دیده می‌شود. رشته‌های بزرگ میلین‌دار و رشته‌های کوچک بدون میلین‌اند. یک تنهٔ عصبی متوسط تقریباً دو برابر رشتهٔ میلین‌دار، رشتهٔ بدون میلین دارد.

شکل ۵٫۱۶ ساختمان یک رشتهٔ میلین‌دار تیپیک را نشان می‌دهد. بخش مرکزی رشته آکسون است و غشای آکسون همان غشایی است که واقعاً پتانسیل عمل را هدایت می‌کند. داخل آکسون با آکسوپلاسم، یعنی مایع داخل‌سلولی ویسکوز، پر شده است.

اطراف آکسون غلاف میلین قرار دارد که اغلب بسیار ضخیم‌تر از خود آکسون است. تقریباً هر ۱ تا ۳ میلی‌متر، شکافی در میلین وجود دارد که گره رانویه نامیده می‌شود.

غلاف میلین توسط سلول‌های شوان ساخته می‌شود. ابتدا غشای یک سلول شوان آکسون را دربر می‌گیرد، سپس سلول بارها به دور آکسون می‌پیچد و لایه‌های متعدد غشای غنی از اسفنگومیلین را روی هم قرار می‌دهد. اسفنگومیلین عایق الکتریکی بسیار خوبی است و جریان یونی از غشا را حدود ۵۰۰۰ برابر کاهش می‌دهد.

در محل اتصال دو سلول شوان متوالی، ناحیهٔ کوچک بدون عایق با طول حدود ۲ تا ۳ میکرومتر باقی می‌ماند که همان گره رانویه است.

هدایت جهشی در رشته‌های میلین‌دار از گره‌ای به گرهٔ دیگر

اگرچه تقریباً هیچ یونی از غلاف ضخیم میلین عبور نمی‌کند، یون‌ها از گره‌های رانویه به‌راحتی عبور می‌کنند. بنابراین پتانسیل عمل فقط در گره‌ها ایجاد می‌شود، اما از گره‌ای به گرهٔ بعدی با هدایت جهشی منتقل می‌شود.

جریان الکتریکی هم از مایع خارج‌سلولی اطراف میلین و هم از آکسوپلاسم داخل آکسون از یک گره تا گرهٔ بعدی حرکت می‌کند و گره‌ها را یکی پس از دیگری تحریک می‌کند. در نتیجه ایمپالس عصبی در امتداد رشته «می‌جهد» و اصطلاح Saltatory از همین ویژگی گرفته شده است.

هدایت جهشی دو مزیت اصلی دارد:

1. با جهش دپولاریزاسیون در فاصله‌های بلند، سرعت انتقال در رشته‌های میلین‌دار را حدود ۵ تا ۵۰ برابر افزایش می‌دهد.
2. در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند، زیرا فقط گره‌ها دپولاریزه می‌شوند؛ بنابراین اتلاف یون ممکن است حدود ۱۰۰ برابر کمتر شود و انرژی بسیار کمتری برای بازسازی گرادیان Na⁺ و K⁺ پس از مجموعه‌ای از ایمپالس‌ها لازم باشد.

عایق بسیار خوب میلین و کاهش حدود ۵۰ برابری ظرفیت غشا همچنین اجازه می‌دهد رپولاریزاسیون با انتقال بسیار کم یون انجام شود.

سرعت هدایت در رشته‌های عصبی

سرعت هدایت پتانسیل عمل از حدود ۰٫۲۵ متر بر ثانیه در رشته‌های کوچک بدون میلین تا حدود ۱۰۰ متر بر ثانیه در رشته‌های بزرگ میلین‌دار متغیر است؛ یعنی در رشته‌های بزرگ، بیش از طول یک زمین فوتبال در یک ثانیه.

هر عاملی که باعث شود Na⁺ به تعداد کافی از غشا به داخل انتشار یابد می‌تواند بازشدن خودکار و بازتولیدشوندهٔ کانال‌های سدیمی را آغاز کند. این وضعیت ممکن است با اختلال مکانیکی غشا، اثر مواد شیمیایی یا عبور جریان الکتریکی ایجاد شود.

بدن از همهٔ این روش‌ها برای ایجاد پتانسیل عمل استفاده می‌کند: فشار مکانیکی برای تحریک پایانه‌های عصبی حسی در پوست، ناقل‌های شیمیایی عصبی برای انتقال پیام از یک نورون به نورون بعدی در مغز، و جریان الکتریکی برای انتقال پیام میان سلول‌های عضلانی متوالی در قلب و روده.

تحریک رشتهٔ عصبی با الکترود فلزی منفی

روش معمول تحریک عصب یا عضله در آزمایشگاه، اعمال جریان با دو الکترود کوچک یکی منفی و دیگری مثبت است. غشای تحریک‌پذیر در محل الکترود منفی تحریک می‌شود.

پتانسیل عمل با بازشدن کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ آغاز می‌شود. این کانال‌ها با کاهش اختلاف ولتاژ استراحت غشا باز می‌شوند. جریان منفی الکترود، ولتاژ بیرون غشا را به مقدار منفی‌تری نزدیک به داخل می‌رساند و اختلاف پتانسیل غشا را کاهش می‌دهد؛ در نتیجه کانال‌های Na⁺ باز و پتانسیل عمل ایجاد می‌شود.

در مقابل، الکترود مثبت با افزودن بار مثبت به بیرون، اختلاف ولتاژ دو سوی غشا را بیشتر می‌کند و هایپرپولاریزاسیون ایجاد می‌کند؛ بنابراین تحریک‌پذیری کاهش می‌یابد.

آستانهٔ تحریک و پتانسیل‌های موضعی حاد

یک محرک منفی ضعیف ممکن است نتواند رشته را تحریک کند. با افزایش شدت محرک، سرانجام نقطه‌ای می‌رسد که تحریک رخ می‌دهد. شکل ۵٫۱۸ اثر محرک‌های متوالی با شدت رو به افزایش را نشان می‌دهد.

محرک ضعیف در نقطهٔ A پتانسیل را از ۷۰− به ۶۵− میلی‌ولت می‌رساند، اما برای شروع فرایند بازتولیدشونده کافی نیست. در B محرک قوی‌تر است، ولی هنوز به آستانه نرسیده است. بااین‌حال، هر دو محرک تغییر موضعی پتانسیل را برای حدود ۱ میلی‌ثانیه یا بیشتر باقی می‌گذارند. این تغییرات پتانسیل‌های موضعی حاد نام دارند و اگر پتانسیل عمل ایجاد نکنند، پتانسیل‌های موضعی حاد زیرآستانه‌ای هستند.

در C محرک قوی‌تر است و پتانسیل موضعی به‌زحمت به آستانه می‌رسد، بنابراین پس از یک دورهٔ نهفتگی کوتاه پتانسیل عمل ایجاد می‌شود. در D محرک باز هم قوی‌تر است، پتانسیل موضعی بزرگ‌تر می‌شود و پتانسیل عمل با دورهٔ نهفتگی کوتاه‌تری ایجاد می‌گردد.

بنابراین حتی محرک ضعیف نیز تغییر موضعی پتانسیل ایجاد می‌کند، اما شدت پتانسیل موضعی باید به سطح آستانه برسد تا پتانسیل عمل آغاز شود.

تا زمانی که یک رشتهٔ تحریک‌پذیر هنوز بر اثر پتانسیل عمل قبلی دپولاریزه است، پتانسیل عمل جدید نمی‌تواند ایجاد شود. علت این است که اندکی پس از آغاز پتانسیل عمل، کانال‌های Na⁺ یا Ca²⁺ یا هر دو غیرفعال می‌شوند و هیچ مقدار سیگنال تحریکی نمی‌تواند دریچهٔ غیرفعال‌سازی آن‌ها را باز کند.

تنها وضعیتی که اجازهٔ بازشدن دوباره را می‌دهد این است که پتانسیل غشا به مقدار استراحت اولیه یا نزدیک آن برگردد. سپس در کسری کوچک از ثانیه، دریچه‌های غیرفعال‌سازی دوباره باز می‌شوند و پتانسیل عمل جدید ممکن می‌شود.

بازه‌ای که در آن حتی با محرک قوی پتانسیل عمل دوم ایجاد نمی‌شود دورهٔ مقاوم مطلق نام دارد. در رشته‌های عصبی بزرگ میلین‌دار حدود ۱ میلی‌ثانیه طول می‌کشد؛ بنابراین حداکثر فرکانس نظری آن‌ها حدود ۱۰۰۰ ایمپالس در ثانیه است.

در دورهٔ مقاوم نسبی که حدود ۲ تا ۴ میلی‌ثانیه و در فاز هایپرپولاریزاسیون رخ می‌دهد، نورون می‌تواند پتانسیل عمل دیگری ایجاد کند، اما به محرک قوی‌تری نسبت به حالت استراحت نیاز دارد.

مهار تحریک‌پذیری — پایدارکننده‌ها و بی‌حس‌کننده‌های موضعی

برخلاف عواملی که تحریک‌پذیری عصب را افزایش می‌دهند، عوامل پایدارکنندهٔ غشا می‌توانند آن را کاهش دهند. برای مثال، غلظت بالای Ca²⁺ در مایع خارج‌سلولی نفوذپذیری غشا به Na⁺ را کاهش می‌دهد و همزمان تحریک‌پذیری را کم می‌کند؛ بنابراین Ca²⁺ یک پایدارکنندهٔ غشا محسوب می‌شود.

بی‌حس‌کننده‌های موضعی به‌عنوان پایدارکنندهٔ غشا

از مهم‌ترین پایدارکننده‌ها، داروهای بی‌حس‌کنندهٔ موضعی مانند پروکائین و تتراکائین هستند. بیشتر این مواد مستقیماً روی دریچه‌های فعال‌سازی کانال‌های Na⁺ اثر می‌کنند و بازشدن آن‌ها را بسیار دشوارتر می‌سازند؛ در نتیجه تحریک‌پذیری غشا کاهش می‌یابد.

وقتی تحریک‌پذیری آن‌قدر کم شود که نسبت قدرت پتانسیل عمل به آستانهٔ تحریک، یعنی ضریب ایمنی، به کمتر از ۱ برسد، ایمپالس‌های عصبی دیگر نمی‌توانند از اعصاب بی‌حس‌شده عبور کنند.

1. Black KA, Jin R, He S, et al. Changing perspectives on how the permeation pathway through potassium channels is regulated. J Physiol. 2021;599:1961–1976.
2. Dixon RE, Navedo MF, Binder MD, et al. Mechanisms and physiological implications of cooperative gating of clustered ion channels. Physiol Rev. 2022;102:1159–1210.
3. Eichel K, Shen K. The function of the axon initial segment in neuronal polarity. Dev Biol. 2022;489:47–54.
4. Franklin RJM, Simons M. CNS remyelination and inflammation: from basic mechanisms to therapeutic opportunities. Neuron. 2022;110:3549–3565.
5. Goodwin G, McMahon SB. The physiological function of different voltage-gated sodium channels in pain. Nat Rev Neurosci. 2021;22:263–274.
6. Handler A, Ginty DD. The mechanosensory neurons of touch and their mechanisms of activation. Nat Rev Neurosci. 2021;22:521–537.
7. Hennis K, Biel M, Fenske S, et al. Paradigm shift: new concepts for HCN4 function in cardiac pacemaking. Pflugers Arch. 2022;474:649–663.
8. Hodgkin AL, Huxley AF. Quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J Physiol. 1952;117:500.
9. Kaczmarek LK, Zhang Y. Kv3 channels: Enablers of rapid firing, neurotransmitter release, and neuronal endurance. Physiol Rev. 2017;97:1431–1468.
10. Kandel ER, Koester JD, Mack SH, et al. Principles of Neural Science. 6th ed. New York: McGraw-Hill; 2021.
11. Li S, Sheng ZH. Energy matters: presynaptic metabolism and the maintenance of synaptic transmission. Nat Rev Neurosci. 2022;23:4–22.
12. Lipovsek M, Bardy C, Cadwell CR, et al. Patch-seq: past, present, and future. J Neurosci. 2021;41:937–946.
13. Mantegazza M, Cestèle S, Catterall WA. Sodium channelopathies of skeletal muscle and brain. Physiol Rev. 2021;101:1633–1689.
14. Pressey JC, de Saint-Rome M, Raveendran VA, et al. Chloride transporters controlling neuronal excitability. Physiol Rev. 2023;103:1095–1135.
15. Rasband MN, Peles E. Mechanisms of node of Ranvier assembly. Nat Rev Neurosci. 2021;22:7–20.
16. Stadelmann C, Timmler S, Barrantes-Freer A, et al. Myelin in the central nervous system: structure, function, and pathology. Physiol Rev. 2019;99:1381–1431.
17. Trigo D, Avelar C, Fernandes M, et al. Mitochondria, energy, and metabolism in neuronal health and disease. FEBS Lett. 2022;596:1095–1110.