AKČNÝ POTENCIÁL: ŠÍRENIE A FÁZY - GEOGRAFIA - 2026

Akčný potenciál je krátkodobý elektrické alebo chemické jav, ktorý sa vyskytuje v neurónoch mozgu. Dá sa povedať, že ide o správu, ktorú neurón prenáša do iných neurónov.

Akčný potenciál je produkovaný v bunkovom tele (jadro), tiež nazývanom soma. Prechádza celým axónom (predĺženie neurónov, podobné drôtu), až kým nedosiahne svoj koniec, ktorý sa nazýva terminálne tlačidlo.

Akčné potenciály na danom axóne majú vždy rovnaké trvanie a intenzitu. Ak sa axón rozvetví do iných procesov, akčný potenciál sa rozdelí, ale jeho intenzita sa nezníži.

Keď akčný potenciál dosiahne terminálne tlačidlá neurónu, vylučujú chemikálie nazývané neurotransmitery. Tieto látky excitujú alebo inhibujú neurón, ktorý ich prijíma, sú schopné generovať akčný potenciál v uvedenom neuróne.

Väčšina toho, čo je známe o akčných potenciáloch neurónov, pochádza z experimentov s obrovskými axónmi chobotnice. Štúdium je ľahké, pretože sa tiahne od hlavy k chvostu. Slúžia tak, aby sa zviera mohlo pohybovať.

Neurónový membránový potenciál

A. Schematický pohľad na ideálny akčný potenciál. B. Skutočný záznam o akčnom potenciáli. Zdroj: en: Memenen / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Neuróny majú iný elektrický náboj vo vnútri ako vonku. Tento rozdiel sa nazýva membránový potenciál .

Ak je neurón v kľudovom stave , znamená to, že jeho elektrický náboj nie je zmenený excitačným alebo inhibičným synaptickým potenciálom.

Na druhej strane, keď to ovplyvňujú iné potenciály, membránový potenciál sa môže znížiť. Toto sa nazýva depolarizácia .

Naopak, keď sa membránový potenciál zvyšuje s ohľadom na jeho normálny potenciál, vyskytuje sa jav nazývaný hyperpolarizácia .

Keď sa náhle objaví veľmi rýchle obrátenie membránového potenciálu, vyskytne sa akčný potenciál . Pozostáva z krátkeho elektrického impulzu, ktorý sa premieta do správy, ktorá prechádza axónom neurónu. Začína to v tele bunky a dosahuje tlačidlá terminálu.

Nervový impulz putuje dolu axónom

Dôležité je, aby sa vyskytol akčný potenciál, elektrické zmeny musia dosiahnuť prah, ktorý sa nazýva budiaci prah . Je nevyhnutné, aby sa dosiahol akčný potenciál, hodnota membránového potenciálu.

Schéma chemickej synapsie

Akčné potenciály a zmeny hladín iónov

Membránová permeabilita neurónu počas akčného potenciálu. Pokojový stav (1), sodné a draselné ióny nemôžu prechádzať cez membránu a neurón má vo vnútri záporný náboj. Depolarizácia (2) neurónu aktivuje sodíkový kanál, čo umožňuje sodíkovým iónom prejsť cez membránu neurónu. Repolarizácia (3), keď sú sodné kanály zatvorené a draselné kanály otvorené, draslíkové ióny prechádzajú cez membránu. V refraktérnej perióde (4) sa membránový potenciál vracia do pokojového stavu, keď sa draselné kanály uzatvárajú. Zdroj: Membránová permeabilita neurónu počas akčného potenciálu.pdf a akčný potenciál, CThompson02

Za normálnych podmienok je neurón pripravený na príjem sodíka (Na +) vo vnútri. Jeho membrána však nie je pre tento ión príliš priepustná.

Okrem toho majú dobre známe „transportéry sodík-draslík“ v bunkovej membráne proteín, ktorý je zodpovedný za odstránenie iónov sodíka z nich a za zavedenie iónov draslíka do nich. Konkrétne pre každé 3 sodné ióny, ktoré extrahuje, zavádza dva draselné ióny.

Tieto transportéry udržujú nízku hladinu sodíka v bunke. Keby sa permeabilita bunky zvýšila a náhle do nej vstúpilo viac sodíka, membránový potenciál by sa radikálne zmenil. Zdá sa, že to je to, čo spúšťa akčný potenciál.

Konkrétne by sa zvýšila permeabilita membrány na sodík, ktorá by vstupovala do neurónu. Zároveň by to umožnilo draselným iónom opustiť bunku.

Ako sa tieto zmeny priepustnosti vyskytujú?

Bunky zabudovali do svojej membrány množstvo proteínov nazývaných iónové kanály . Majú otvory, cez ktoré môžu ióny vstúpiť alebo opustiť bunky, hoci nie sú vždy otvorené. Kanály sú uzavreté alebo otvorené podľa určitých udalostí.

Existuje niekoľko typov iónových kanálov a každý sa obvykle špecializuje na vedenie výlučne určitých typov iónov.

Napríklad otvorený sodíkový kanál môže prejsť viac ako 100 miliónov iónov za sekundu.

Ako sa vytvára akčný potenciál?

Neuróny prenášajú informácie elektrochemicky. To znamená, že chemikálie produkujú elektrické signály.

Tieto chemikálie majú elektrický náboj, preto sa nazývajú ióny. Najdôležitejšie v nervovom systéme sú sodík a draslík, ktoré majú kladný náboj. Okrem vápnika (2 kladné náboje) a chlóru (jeden záporný náboj).

Zmeny membránového potenciálu

Prvým krokom pre vznik akčného potenciálu je zmena membránového potenciálu bunky. Táto zmena musí prekročiť prah budenia.

Konkrétne dochádza k zníženiu membránového potenciálu, ktorý sa nazýva depolarizácia.

Otváranie sodíkových kanálov

V dôsledku toho sa sodné kanály zabudované do membrány otvorili, čo umožnilo masívne vstúpiť sodík do neurónu. Tieto sú poháňané difúznymi silami a elektrostatickým tlakom.

Pretože sodné ióny sú pozitívne nabité, spôsobujú rýchlu zmenu membránového potenciálu.

Otvorenie draselného kanála

Axónová membrána má sodíkové aj draselné kanály. Tie sú však otvorené neskôr, pretože sú menej citlivé. To znamená, že na otvorenie, a teda otvorenie neskôr, potrebujú vyššiu úroveň depolarizácie.

Zatvorenie sodíkových kanálov

Príde čas, keď akčný potenciál dosiahne svoju maximálnu hodnotu. Od tohto obdobia sú sodíkové kanály blokované a uzavreté.

Už sa nemôžu znova otvárať, kým membrána opäť nedosiahne svoj pokojový potenciál. V dôsledku toho nemôže do neurónu vniknúť žiadny sodík.

Uzatvorenie draselného kanála

Draselné kanály však zostávajú otvorené. To umožňuje, aby ióny draslíka pretekali bunkou.

V dôsledku difúzie a elektrostatického tlaku, keď je vnútro axónu pozitívne nabité, sú draslíkové ióny vytlačené z bunky. Membránový potenciál tak získa svoju obvyklú hodnotu. Postupne sa draslíkové kanály zatvárajú.

Tento výstup katiónov spôsobuje, že membránový potenciál obnovuje svoju normálnu hodnotu. Keď sa to stane, draslíkové kanály sa začnú opäť uzatvárať.

Len čo membránový potenciál dosiahne svoju normálnu hodnotu, draslíkové kanály sa úplne uzavrú. O niečo neskôr sa sodíkové kanály reaktivujú, aby sa pripravili na ďalšiu depolarizáciu, ktorá ich otvorí.

Nakoniec transportéry sodík-draslík vylučujú sodík, ktorý vstúpil, a regenerujú draslík, ktorý predtým zostal.

Ako sa šíria informácie cez axón?

Časti neurónu. Zdroj: Nebol poskytnutý žiadny strojom čitateľný autor. NickGorton ~ commonswiki prevzatý (na základe autorských práv)

Axón pozostáva z časti neurónu, káblového predĺženia neurónu. Môžu byť príliš dlhé na to, aby umožnili neurónom, ktoré sú fyzicky ďaleko od seba, aby sa navzájom spojili a posielali informácie.

Akčný potenciál sa šíri pozdĺž axónu a dosahuje tlačidlá terminálu, aby posielal správy do nasledujúcej bunky. Keby sme zmerali intenzitu akčného potenciálu z rôznych oblastí axónu, zistili by sme, že jeho intenzita zostáva rovnaká vo všetkých oblastiach.

Zákon všetko alebo nič

K tomu dochádza preto, že axonálne vedenie sa riadi základným zákonom: zákonom všetkých alebo ničoho. To znamená, že akčný potenciál je alebo nie. Akonáhle to začne, prechádza celým axónom až po jeho koniec, pričom si zachováva vždy rovnakú veľkosť, nezvyšuje sa ani neznižuje. Ďalej, ak sa axón rozvetví, akčný potenciál sa rozdelí, ale zachováva si svoju veľkosť.

Akčné potenciály začínajú na konci axónu, ktorý je pripojený k neurónovej somi. Zvyčajne cestujú iba jedným smerom.

Potenciály akcie a správania

V tomto bode sa možno pýtate: ak je akčný potenciál procesom typu všetko alebo nič, ako sa vyskytujú určité správanie, ako je napríklad svalová kontrakcia, ktoré sa môže líšiť medzi rôznymi úrovňami intenzity? Toto sa deje podľa zákona o frekvencii.

Zákon frekvencie

Stáva sa, že potenciál jednej akcie priamo neposkytuje informácie. Namiesto toho je informácia určená frekvenciou vybíjania alebo rýchlosťou vypaľovania axónu. To je frekvencia výskytu akčných potenciálov. Toto je známe ako „zákon frekvencie“.

Vysoká frekvencia akčných potenciálov by teda viedla k veľmi intenzívnej svalovej kontrakcii.

To isté platí o vnímaní. Napríklad veľmi jasný vizuálny stimul, ktorý sa má zachytiť, musí v axónoch pripojených k očiam vytvárať vysokú „rýchlosť paľby“. Týmto spôsobom frekvencia akčných potenciálov odráža intenzitu fyzického stimulu.

Zákon všetkých alebo ničoho sa preto dopĺňa zákonom o frekvencii.

Iné formy výmeny informácií

Akčné potenciály nie sú jediné triedy elektrických signálov, ktoré sa vyskytujú v neurónoch. Napríklad posielanie informácií cez synapsiu dáva malý elektrický impulz v membráne neurónu, ktorý prijíma dáta.

Schéma synapsie. Zdroj: Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com)

Mierna depolarizácia, ktorá je príliš slabá na to, aby vyvolala akčný potenciál, môže niekedy mierne zmeniť membránový potenciál.

Táto zmena sa však postupne znižuje, keď prechádza axónom. Pri tomto type prenosu informácií sa sodíkové ani draselné kanály neotvárajú ani nezatvárajú.

Axón tak pôsobí ako podmorský kábel. Pri prenose signálu sa jeho amplitúda znižuje. Toto je známe ako vedenie nadol a vyskytuje sa to vďaka charakteristikám axónu.

Akčné potenciály a myelín

Myelín pokrýva axóny takmer všetkých cicavcov. To znamená, že majú segmenty obklopené látkou, ktorá umožňuje nervové vedenie, čím sa zrýchľuje. Myelín sa navíja okolo axónu bez toho, aby sa doň dostala extracelulárna tekutina.

Myelín je produkovaný v centrálnom nervovom systéme bunkami nazývanými oligodendrocyty. Zatiaľ čo v periférnom nervovom systéme je produkovaný Schwannovými bunkami.

Myelínové segmenty, známe ako myelínové pošvy, sú od seba oddelené holými oblasťami axónu. Tieto oblasti sa nazývajú Ranvierove uzly a sú v kontakte s extracelulárnou tekutinou.

Akčný potenciál sa prenáša inak v nemyelinizovanom axóne (ktorý nie je pokrytý myelínom) ako v myelinovanom axóne.

Akčný potenciál sa môže pohybovať cez myelínom pokrytú axonálnu membránu vďaka vlastnostiam drôtu. Axón týmto spôsobom vykonáva elektrickú zmenu z miesta, kde sa vyskytuje akčný potenciál, do ďalšieho uzla Ranviera.

Táto zmena sa mierne zužuje, ale je dostatočne silná na to, aby spôsobila akčný potenciál v nasledujúcom uzle. Tento potenciál sa potom aktivuje alebo opakuje v každom uzle Ranviera a transportuje sa cez myelinizovanú oblasť do nasledujúceho uzla.

Tento druh vedenia akčných potenciálov sa nazýva slané vedenie. Jeho názov pochádza z latinského „soľného“, čo znamená „tancovať“. Koncepcia je preto, že sa zdá, že impulz skočí z uzla na uzol.

Výhody slaného vedenia pre prenos akčných potenciálov

Tento typ jazdy má svoje výhody. Po prvé, šetriť energiu. Transportéry sodíka a draslíka míňajú veľa energie ťahaním nadbytku sodíka z axónu počas akčných potenciálov.

Tieto transportéry sodíka a draslíka sa nachádzajú v oblastiach axónu, ktoré nie sú pokryté myelínom. Avšak v myelinovanom axóne môže sodík vstúpiť iba do Ranvierových uzlov. Z tohto dôvodu vstupuje omnoho menej sodíka, a preto sa musí prečerpávať menej sodíka, takže transportéry sodík-draslík musia pracovať menej.

Ďalšou výhodou myelínu je rýchlosť. Akčný potenciál sa vykonáva rýchlejšie v myelinizovanom axóne, pretože impulz „preskočí“ z jedného uzla na druhý bez toho, aby musel prechádzať celým axónom.

Toto zvýšenie rýchlosti spôsobuje, že zvieratá myslia a reagujú rýchlejšie. Iné živé bytosti, ako napríklad chobotnice, majú axóny bez myelínu, ktoré vďaka svojej zväčšenej veľkosti získavajú rýchlosť. Chobotnice axóny majú veľký priemer (asi 500 um), čo im umožňuje rýchlejšie cestovať (asi 35 metrov za sekundu).

Pri rovnakej rýchlosti sa však akčné potenciály pohybujú v axónoch mačiek, hoci tieto majú priemer iba 6 um. Stáva sa, že tieto axóny obsahujú myelín.

Myelinizovaný axón môže viesť akčné potenciály rýchlosťou asi 432 kilometrov za hodinu, s priemerom 20 um.

Referencie

1. Akčný potenciál. (SF). Zdroj: 5. marca 2017, z Hyperphysics, Georgia State University: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
2. Carlson, NR (2006). Fyziológia správania 8. vydanie Madrid: Pearson.
3. Chudler, E. (nd). Svetlá, kamera, akčný potenciál. Získané 5. marca 2017, z University of Washington: faculty.washington.edu.
4. Fázy akčného potenciálu. (SF). Zdroj bol nájdený 5. marca 2017 od spoločnosti Boundless: boundless.com.