Нервовий потенціал дії — від іонів до думки
Кожна думка, відчуття й рух починаються з однієї й тієї самої події: короткого електричного спайку, що рухається вздовж нейрона зі швидкістю до 120 м/с. Розуміння потенціалу дії — його іонної основи, його характеру «усе або нічого» та його поширення — є вхідною точкою до нейронауки.
1. Потенціал спокою мембрани
У спокої внутрішня частина нейрона має приблизно −70 мВ відносно зовнішнього середовища. Це підтримується нерівномірним розподілом іонів через мембрану з ліпідного бішару, яка непроникна, окрім як через селективні іонні канали.
| Іон | Усередині (мМ) | Зовні (мМ) | Відношення зовні/всередині |
|---|---|---|---|
| K⁺ (калій) | 140 | 5 | 1:28 |
| Na⁺ (натрій) | 12 | 145 | 12:1 |
| Cl⁻ (хлор) | 4 | 120 | 30:1 |
| Ca²⁺ (кальцій) | 0.0001 | 2 | 20 000:1 |
K⁺ прагне дифундувати назовні (висока концентрація всередині → низька зовні), а Na⁺ прагне дифундувати всередину. Насос Na⁺/K⁺-АТФаза безперервно підтримує ці градієнти, викачуючи 3 Na⁺ назовні та закачуючи 2 K⁺ всередину на кожну гідролізовану молекулу АТФ — споживаючи у спокої ~30% енергетичного бюджету мозку.
2. Рівняння Нернста та Гольдмана
Потенціал Нернста для іона дає напругу на мембрані, за якої електричні та дифузійні сили врівноважуються (немає сумарного струму для цього іона окремо):
R = 8.314 Дж/(моль·K) (газова стала)
T = 310 K (температура тіла, ~37°C)
z = заряд іона (+1 для K⁺, +1 для Na⁺, −1 для Cl⁻)
F = 96 485 Кл/моль (стала Фарадея)
E_K ≈ −90 мВ (потенціал Нернста для K⁺)
E_Na ≈ +67 мВ (потенціал Нернста для Na⁺)
E_Cl ≈ −70 мВ (потенціал Нернста для Cl⁻)
Реальний потенціал спокою (−70 мВ) є зваженим середнім, яке описує рівняння напруги Гольдмана–Ходжкіна–Каца (GHK):
(P_K[K⁺]_i + P_Na[Na⁺]_i + P_Cl[Cl⁻]_o) )
P_X = проникність мембрани для іона X
У спокої: P_K : P_Na ≈ 25:1, тож V_m ≈ E_K
3. Потенціалозалежні іонні канали
Потенціал дії залежить від двох потенціалозалежних каналів:
- Потенціалозалежний Na⁺-канал (Nav): швидко відкривається, коли мембрана деполяризується вище порогу (~−55 мВ). Має активаційні ворота (m) та інактиваційні ворота (h). Відкривається за ~0.1 мс, пропускає масивний приплив Na⁺, а потім інактивується протягом 1 мс. Не може знову відкритися, доки мембрана не реполяризується (рефрактерний період).
- Потенціалозалежний K⁺-канал (Kv): відкривається повільніше при деполяризації. Пропускає відтік K⁺, реполяризуючи мембрану. Не має інактиваційних воріт — просто закривається, коли мембрана реполяризується.
4. Фази потенціалу дії
Загальна тривалість: ~2 мс від перетину порогу до кінця рефрактерного періоду. Максимальна частота генерації обмежена ~500 Гц.
5. Модель Ходжкіна–Гакслі
Ходжкін і Гакслі (Нобелівська премія 1963) описали потенціал дії математично, використовуючи експерименти з фіксацією напруги на гігантському аксоні кальмара. Модель має 4 пов’язані звичайні диференціальні рівняння:
dm/dt = α_m(V)(1−m) − β_m(V)·m (активаційні ворота Na⁺)
dh/dt = α_h(V)(1−h) − β_h(V)·h (інактиваційні ворота Na⁺)
dn/dt = α_n(V)(1−n) − β_n(V)·n (активаційні ворота K⁺)
Стандартні параметри: g_Na=120, g_K=36, g_L=0.3 мСм/см²
C = 1 мкФ/см², E_Na=+55, E_K=−77, E_L=−54.4 мВ
Швидкісні функції α і β експоненційно залежать від V — емпірично підібрані під дані фіксації напруги. Добуток m³h (активація в кубі помножена на інактивацію) описує швидке відкриття та сповільнену інактивацію Na⁺-каналу. Деталі симуляції див. у статті про модель Ходжкіна–Гакслі.
6. Закон «усе або нічого»
Потенціал дії підпорядковується принципу «усе або нічого»: стимул або не досягає порогу (підпороговий: ПД немає), або, щойно поріг перетнуто, генерується однаковий спайк повної амплітуди незалежно від сили стимулу. «Середнього» спайку не буває.
Інформація про інтенсивність стимулу кодується не амплітудою спайку, а частотою генерації (частотне кодування) або таймінгом спайків (часове кодування). Сильніший дотик змушує механорецептори генерувати спайки частіше, а не дає більших спайків.
7. Поширення та мієлінізація
Потенціал дії поширюється, бо струм, що тече в деполяризовану ділянку мембрани, поширюється на сусідні ділянки, піднімаючи їхній потенціал вище порогу. Поширення є односпрямованим, бо вже активована ділянка перебуває у рефрактерному періоді.
У немієлінізованих аксонах швидкість проведення залежить від діаметра аксона: v ≈ 0.5–2 м/с для діаметра 1 мкм. У мієлінізованих аксонах мієлінова оболонка (клітини Шванна / олігодендроцити) ізолює аксон, дозволяючи струму перестрибувати між перехопленнями Ранв’є — сальтаторне проведення:
Мієлінізований: v ≈ 6d м/с для d у мкм
Приклад: мієлінізований мотонейрон 20 мкм → ~120 м/с
Приклад: немієлінізоване больове C-волокно 0.2 мкм → ~0.5 м/с
Розсіяний склероз руйнує мієлін — сповільнюючи або блокуючи проведення — що пояснює розмаїття неврологічних симптомів (втрата зору, слабкість, сенсорні розлади) залежно від того, які аксони демієлінізовані.
8. Від потенціалу дії до синапсу
Коли потенціал дії досягає закінчення аксона, він запускає синаптичну передачу:
- ПД заходить у закінчення й відкриває потенціалозалежні Ca²⁺-канали.
- Приплив Ca²⁺ запускає екзоцитоз: синаптичні везикули зливаються з пресинаптичною мембраною.
- Нейромедіатор (наприклад, глутамат, ГАМК) дифундує через 20-нанометрову синаптичну щілину.
- Нейромедіатор зв’язується з постсинаптичними рецепторами — або з лігандозалежними іонними каналами (швидкими, іонотропними), або з рецепторами, пов’язаними з G-білком (повільними, метаботропними).
- Утворений постсинаптичний потенціал (ЗПСП або ГПСП) інтегрується з входами від сотень інших синапсів на дендритах і тілі клітини.
Людський мозок містить ~100 мільярдів нейронів і ~100 трильйонів синапсів, кожен з яких здатний передавати ~1000 потенціалів дії на секунду. Уся складність думки, пам’яті та свідомості постає з цього елегантного шматочка біофізики.