Потенциал действия нейрона: фазы, ионные механизм формирования, свойства.

Нормальная физиология — ПСБГПМУ, Педиатрия

Определение

Потенциал действия (ПД) нейрона — это быстрое, распространяющееся изменение мембранного потенциала, возникающее в ответ на деполяризацию мембраны выше порогового уровня. ПД служит элементарной единицей кодирования и передачи информации в нервной системе. Формирование ПД основано на строго упорядоченном изменении ионной проводимости мембраны через потенциал-зависимые каналы.

Фазы потенциала действия

Выделяют пять последовательных фаз ПД, которые различаются по направлению изменения мембранного потенциала и ионным механизмам.

Локальный ответ (предпотенциал)

Возникает при стимуле, достигающем порогового уровня (обычно около -55 мВ для нейрона при потенциале покоя -70 мВ).
Представляет собой начальную деполяризацию, вызванную открытием небольшой части потенциал-зависимых натриевых каналов.
Не является самостоятельной фазой в некоторых классификациях, но критически важен как триггер.

Фаза деполяризации (быстрый подъем)

Характеризуется лавинообразным входом ионов Na⁺ внутрь клетки, что приводит к смещению мембранного потенциала от -55 мВ до пика (обычно около +30 мВ).
Длительность: 0,2–0,5 мс.
Потенциал достигает овершута (overshoot) — превышает нулевую отметку, становясь положительным.

Фаза реполяризации (спад)

Начинается после пика, когда мембранный потенциал возвращается к уровню покоя.
Длительность: 0,5–1,0 мс.
Потенциал снижается сначала быстро (до уровня около 0 мВ), затем медленнее.

Следовая гиперполяризация (negative afterpotential)

Временное снижение мембранного потенциала ниже исходного уровня покоя (например, до -75…-80 мВ).
Длительность: до 10–50 мс.

Следовая деполяризация (не всегда выражена)

Медленное возвращение потенциала к исходному уровню; иногда наблюдается небольшое превышение (деполяризация) перед полным восстановлением.
Менее выражена в большинстве нейронов, чем гиперполяризация.

Ионные механизмы формирования ПД

Формирование всех фаз ПД определяется динамикой ионной проводимости через потенциал-зависимые каналы, в первую очередь натриевые (Na⁺) и калиевые (K⁺). Движущей силой служат электрохимические градиенты ионов.

Потенциал-зависимые натриевые каналы (Nav)

Имеют два типа ворот: активационные (быстрые, открываются при деполяризации) и инактивационные (медленные, закрываются при деполяризации, блокируя канал).
Активация: при смещении потенциала от -70 мВ к -55 мВ активационные ворота открываются — канал переходит в открытое состояние. Na⁺ входит в клетку по электрохимическому градиенту.
Инактивация: через ~0,5 мс после открытия инактивационные ворота закрываются, прекращая ток Na⁺, даже если деполяризация продолжается.
Деиниактивация: для восстановления исходного состояния канала необходимо возвращение мембранного потенциала к уровню покоя. Канал некоторое время (в период абсолютной рефрактерности) не может быть повторно активирован.
Проводимость: в момент пика ПД проводимость для Na⁺ возрастает в 500–5000 раз по сравнению с покоем.

> [!simple] Простыми словами: Натриевые каналы похожи на дверь с двумя замками. Чтобы войти (открыть активационные ворота), нужно дернуть ручку (деполяризация). Но почти сразу срабатывает автоматический доводчик (инактивация), который блокирует дверь. Чтобы открыть снова, нужно сначала вернуть ручку в исходное положение (реполяризация).

Потенциал-зависимые калиевые каналы (Kv)

Открываются медленнее натриевых (задержка 0,5–1,5 мс), достигая максимума проводимости к концу фазы реполяризации.
Функция: обеспечивают выход ионов K⁺ из клетки по электрохимическому градиенту, что восстанавливает отрицательный мембранный потенциал.
Их открытие совпадает с пиком ПД, но максимальный ток наблюдается, когда натриевые каналы уже инактивированы.
Следовая гиперполяризация возникает, потому что калиевые каналы закрываются не сразу после реполяризации, а с задержкой. В результате из клетки выходит избыток K⁺, затягивая потенциал ниже уровня покоя.

Роль других ионов (Ca²⁺, Cl⁻)

В некоторых нейронах (особенно в дендритах и пресинаптических окончаниях) потенциал-зависимые кальциевые каналы (Cav) вносят вклад в деполяризацию. Однако для проведения ПД по аксону они не являются основными.
Ток Cl⁻ в норме не участвует в генерации ПД, так как потенциал-зависимых хлорных каналов в мембране нейрона почти нет. Хлор обеспечивает пассивный ток, стабилизирующий потенциал покоя.

Динамика ионных токов (схема Ходжкина-Хаксли)

|----------|------------|-------------------|--------|-------------------|---------------------|

| Ток Na⁺ | Нет | Вход (в клетку) | Прекращается (инактивация) | Нет | Нет |

Равновесные потенциалы

> [!formula] Уравнение Нернста (для иона при 37°C)

> E_X — равновесный потенциал (мВ), z — валентность, [X⁺] — вне- и внутриклеточная концентрация.

Для нейрона млекопитающих:

ENa⁺ ≈ +60 мВ (движущая сила около +90 мВ при покое, до +30 мВ на пике).
EK⁺ ≈ -90 мВ (движущая сила около -20 мВ при покое).

Пик ПД (+30 мВ) не достигает ENa⁺ (+60 мВ), поскольку натриевые каналы начинают инактивироваться, а калиевые — открываться, снижая восходящий ход потенциала.

> [!example] Пример: В гигантском аксоне кальмара, где впервые был описан механизм, ПД длится около 1 мс, амплитуда — 100–120 мВ (от -60 мВ до +50 мВ). При блокаде натриевых каналов тетродотоксином (ТТХ) ПД исчезает.

Свойства потенциала действия

1. Пороговость

ПД возникает только при достижении критического уровня деполяризации (порога). Для нейронов порог составляет от -55 мВ до -50 мВ.
Подпороговые стимулы вызывают только локальные потенциалы (например, ВПСП), которые затухают по мере распространения.

2. ### Закон «все или ничего» (All-or-none law)

При достижении порога амплитуда и длительность ПД не зависят от силы стимула. Каждый ПД в данных условиях имеет одинаковую форму.
Меньший стимул не вызывает ПД, больший — вызывает такой же по амплитуде, но с меньшим латентным периодом.

3. ### Рефрактерность (невозбудимость)

Абсолютная рефрактерность (0,4–1 мс после ПД): мембрана полностью невозбудима. Натриевые каналы инактивированы, никакой стимул не способен вызвать новый ПД, так как нет активируемых натриевых каналов.
Относительная рефрактерность (1–5 мс после ПД): мембрана способна ответить на сильный стимул (выше порога), но с увеличенным латентным периодом и меньшей амплитудой (если не достигнут полный исходный потенциал). Часть натриевых каналов деиниактивирована, часть калиевых каналов еще открыта.

4. Распространение без декремента (незатухающее проведение)

ПД распространяется по аксону с постоянной амплитудой, не уменьшаясь с расстоянием (в отличие от локальных потенциалов). Это обеспечивается регенеративным механизмом: локальные токи деполяризуют соседние участки до порога, где снова возникает ПД.
В миелинизированных аксонах проведение сальтаторное (прыжками от перехвата Ранвье к перехвату). Это ускоряет проведение (до 120 м/с) и снижает энергозатраты. Плотность натриевых каналов в перехватах — до 1000–2000/мкм², тогда как в межперехватных областях (под миелином) каналов почти нет.

5. Изолированное проведение

ПД в одном аксоне не переходит на соседние нервные волокна, даже если они проходят в одном стволе. Это обеспечивается миелиновой оболочкой и тем, что электрические токи, генерируемые ПД, замыкаются внутри аксона, не выходя за его пределы. Для передачи сигнала между нейронами требуется специализированный контакт — синапс.

6. Лабильность (функциональная подвижность)

Максимальная частота генерации ПД определяется длительностью абсолютной рефрактерности. Для нейронов она может достигать 500–1000 ПД в секунду. При сверхвысокой частоте стимуляции возникает состояние пессимума — парабиотическое снижение амплитуды и блок проведения.

> [!critical] Ключевой факт: Потенциал действия нейрона возникает исключительно за счет быстрого входа ионов Na⁺ через потенциал-зависимые натриевые каналы (фаза деполяризации). Реполяризация обеспечивается выходом ионов K⁺ через потенциал-зависимые калиевые каналы, которые открываются с задержкой. Рефрактерность (невозбудимость) обусловлена инактивацией натриевых каналов, что предотвращает слияние потенциалов действия и обеспечивает дискретность сигналов.

---

Итог. Потенциал действия нейрона — это быстрый стереотипный электрический импульс, генерируемый по закону «все или ничего» при достижении порога. Механизм основан на последовательном открытии и инактивировании потенциал-зависимых натриевых и калиевых каналов, что обеспечивает фазы деполяризации, реполяризации и следовые потенциалы. Ключевые свойства ПД — пороговость, рефрактерность, незатухающее проведение и изолированность в пределах одного волокна.

Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по Нормальной физиологии