פוטנציאל הממברנה ואימפולס עצבי

1. פוטנציאל הממברנה ואימפולס עצבי • נוירונים נבדלים מתאים אחרים בגוף ביכולת שלהם להתחיל, ולהוליך גירוי עצבי שנקרא דחף או אימפולס (Impulse) עצבי. • לכן יש לנוירונים תכונות של אקסטביליות (Excitability) ומוליכות (Conductivity). • פוטנציאל הממברנה: • כל התאים ,כולל נוירונים, שומרים על הבדל בריכוז של יונים מעבר לשני הצדדים של הממברנה. • ישנו בדרך כלל עודף של מטען חיובי בחוץ התא לעומת תוך התא.

2. פוטנציאל הממברנה • הבדל זה גורם ליצירת שונה במטען החשמלי מעבר לממברנת הפלסמה. • הבדל זה נקרא פוטנציאל הממברנה (Membrane Potential). • הבדל זה במטען החשמלי נקרא פוטנציאל, מפני שזו צורה לאחסן ולאגור אנרגיה, בצורה של אנרגיה פוטנציאלית. • כאשר מטענים מנוגדים מופרדים ע"י ממברנה, יש להם את הפוטנציאל לנוע אחד לכיוון השני. • זאת אם תהיה להם את היכולת לעבור את הממברנה.

3. פוטנציאל הממברנה • ממברנה שיש לה את התכונה הזו (Membrane Potential) היא ממברנה שנקראת: Polarized. • ז"א ממברנה במצב של פולריזציה. • המשמעות היא שיש לממברנה מאגר של מטען שלילי (הצד התוך תאי), ומאגר של מטען חיובי (הצד החוץ תאי של הממברנה). • גודלו של הפרש זה נמדד בvolts או ב mV ע"י מכשיר שנקרא Voltmeter. • כאשר מציינים ערך מסוים של מתח הממברנה, ערך זה מתייחס לתוך התא.

4. פוטנציאל הממברנה

5. פוטנציאל הממברנה

6. פוטנציאל הממברנה • למשל, מתח ממברנה שהוא mV 70-: המשמעות היא שיש הפרש פוטנציאלים של mV 70. • המשמעות היא גם שהחלק הפנימי של הממברנה הוא שלילי יחסית לחלק החיצוני. • מתח ממברנה שהוא mV 30+: המשמעות היא שיש הפרש פוטנציאלים של mV 30. • המשמעות היא גם שהחלק הפנימי של הממברנה הוא חיובי יחסית לחלק החיצוני. • מתי מתח הממברנה יהפוך לחיובי? מאיזה סיבה?

7. פוטנציאל הממברנה • כאשר נוירון אינו מעביר גירוי או אות חשמלי, הוא נמצא במצב מנוחה. • במצב מנוחה, פוטנציאל המנוחה בנוירונים הוא בסביבות mV 70-. • פוטנציאל הממברנה בנוירון שאינו מוליך גירוי חשמלי, נקרא פוטנציאל המנוחה של הממברנה: Resting Membrane Potential (RMP). . האם ערך זה (mV 70-) הוא אחיד לכל סוגי התאים?

8. פוטנציאל המנוחה של הממברנה

9. פוטנציאל המנוחה של הממברנה • במצב מנוחה קיימים כמה מנגנונים האחראים על עודף של מטען חיובי מחוץ לתא לעומת תוך התא: • 1) חדירות יותר גדולה של אשלגן במצב מנוחה: החדירות של הממברנה לנתרן, אשלגן, ויונים אחרים מווסתת ע"י חלקים בתעלה שנקראים שערים (Gates). • השערים מורכבים משרשראות פוליפפטידיות שיכולים להיפתח ולהיסגר בהתאם למצבים, וגירויים ספציפיים. • כאשר השערים של התעלה סגורים, יון לא יכול לחדור דרך התעלה. • רוב תעלות הנתרן יש להן שערים, והן סגורות במצב מנוחה.

10. פוטנציאל המנוחה של הממברנה

11. פוטנציאל המנוחה של הממברנה • לעומת זאת לאשלגן יש שני סוגים של תעלות: אחד שמכיל שערים (סגורים במצב מנוחה), והסוג השני חסר שערים ולכן התעלה היא תמיד פתוחה. • תעלות אלה נקראות Leak channels. • מה המשמעות לכך? עד מתי אשלגן יוצא מהתא? • במצב של פוטנציאל שיווי המשקל של אשלגן , המפל הכימי שווה למפל החשמלי, ומנוגד לו. • למה תעלות אשלגן הן אחת הסיבות לעודף של מטען חשמלי שלילי בתוך התא יחסית לחוץ התא?

12. פוטנציאל המנוחה של הממברנה • 2) מנגנון נוסף שתורם לפוטנציאל המנוחה הוא משאבת הנתרן-אשלגן. .איזה סוג של טרנספורט מבוצע ע"י משאבה זו? . מדוע משאבה הזו תורמת לפוטנציאל המנוחה של הממברנה? • 3) מנגנון שלישי: חלבונים ומולקולות גדולות הטעונות שלילי, כגון ATP לא יכולות לצאת מהתא. • מה המשמעות לכך?

13. פוטנציאל המנוחה של הממברנה

14. פוטנציאל המנוחה של הממברנה

15. פוטנציאל מקומי • פוטנציאל מקומי (Local Potential או Graded Potential ): • בנוירונים, פוטנציאל הממברנה יכול לעבור תנודתיות, ושינויים מתמידים מעל ומתחת לפוטנציאל המנוחה בתגובה לגירוי. • שינוי עדין בפוטנציאל המנוחה של הממברנה בתגובה לגירוי נקרא פוטנציאל מקומי (Local Potential). • Excitation של הממברנה מתרחש כאשר הגירוי גורם לפתיחה של תעלות נתרן שנקראות: Stimulus-gated Na channels. • תעלות אלה ,שנמצאות בדנדריטים ובגוף התא, נפתחות בתגובה לגירוי סנסורי מסוים, או בתגובה לגירוי ע"י חומר כימי שמופרש ממנוירון אחר (נוירוטרנסמיטור).

16. פוטנציאל מקומי • פתיחת תעלות אלה גורמת לכניסה של נתרן לתוך התא, לכן עודף המטען החיובי מחוץ לתא יורד, והפרש הפוטנציאלים קטן. • תהליך זה נקרא דה-פולרזציה : Depolarization (ביטול הקוטביות): תנועה של פוטנציאל הפעולה בכיוון mV0. • Inhibition:כאשר הגירוי גורם לפתיחה למשל של תעלות אשלגן. • במצב זה מטען חיובי עוזב את התא ולכן הפרש הפוטנציאלים גדל, והוא בערכים יותר שליליים מאשר במצב מנוחה. • תהליך זה גורם להיפרפולרזציה (Hyperpolarization). • למה תגרום פתיחה של תעלות כלוריד ? מדוע?

17. שינויי בפוטנציאל הממברנה + + + + + + - - - -+ + 3-1 At rest, membrane potential = -70 mV Depolarization + + + - - - - - - Hyperpolarization

18. פוטנציאל מקומי • פוטנציאלים מקומיים נקראים גם Graded Potentials. • זאת בגלל שמידת הסטייה מפוטנציאל המנוחה היא פרופורציונאלית למידת הגירוי. • הגירוי במצב הזה יכול להיות קטן או גדול. • פוטנציאלים אלה נוצרים בדנדריטים ובגוף התא, ונקראים פוטנציאלים מקומיים היות והם ממוקמים ומוגבלים לאזור מסוים. • הם לא מתפשטים לאורך האקסון, כמו פוטנציאל הפעולה.

19. פוטנציאל מקומי

20. פוטנציאל הפעולה: Action Potential • פוטנציאל הפעולה הוא פוטנציאל הממברנה של נוירון שנמצא בפעולה: נוירון המוליך גירוי חשמלי. • שמות נרדפים לפוטנציאל הפעולה: גירו עצבי או אמפולס (Impulse) עצבי. • השלבים והמנגנונים ליצירת פוטנציאל הפעולה: • 1) כאשר כמות מספקת של גירוי ניתנת לנוירון, תעלות הנתרןstimulus-gated Na channels נפתחות במקום מתן הגירוי. • תעלות אלה נפתחות בתגובה לגירוי סנסורי או לגירוי ע"י חומר כימי שמופרש מנוירון אחר (נוירוטרנסמיטור).

21. פוטנציאל הפעולה

22. פוטנציאל הפעולה • כתוצאה מכך נתרן נכנס לתוך התא בהתאם למפל האלקטרוכימי שלו. • הכניסה של נתרן גורמת ליצירה של דה-פולריזציה מקומית. • למה נתרן נכנס לתוך התא לפי המפל האלקטרוכימי שלו? • 2) אם ה דה-פולריזציה המקומית מגיעה לערך הסף (Threshold potential) שהוא בסביבות mV 55- ,אז נפתחות תעלות נתרן תלויות מתח: Voltage-gated Na channels. • ערך הסף הוא הערך המינימלי שצריך להגיע אליו על מנת לפתוח תעלות נתרן תלויות מתח ב Axon Hillock.

23. פוטנציאל הפעולה

24. פוטנציאל הפעולה

25. פוטנציאל הפעולה

26. פוטנציאל הפעולה • 3) כאשר יון הנתרן זורם פנימה לתוך התא דרך תעלות נתרן תלויות מתח, מתרחשת דה-פולריזציה נוספת. • תהליך זה גורם לפתיחה של עוד תעלות נתרן תלויות מתח. • זהו משוב חיובי שנקרא Hodgkin cycle. • מדוע Hodgkin cycle נחשב למשוב חיובי? • לכן פוטנציאל הממברנה נע במהירות בכיוון mV 0.

27. Hodgkin Cycle

28. פוטנציאל הפעולה • לאחר מכן הפוטנציאל ממשיך בכיוון החיובי עד להגעה לערך של mV 30+ . • ערך זה הוא הPeak (שיא) או Overshoot. • מה השמעות של ערך זה? • המשמעות של ערך זה היא שעכשיו יש עודף של מטען חיובי בתוך התא. • ההתחלה הייתה מפוטנציאל המנוחה, הגעה לערך הסף, ולאחר מכן הגעה לPeak . • איזה שינוי (מבחינת הערכים) התרחש בכל אחד מהשלבים הנ"ל?

29. פוטנציאל הפעולה • אם הפוטנציאל המקומי לא הגיע לערך הסף (למשל הגיע רק לערך של mV 65- ), תעלות הנתרן תלויות מתח לא נפתחות. • האם הייתה כאן דה-פולרזציה? מדוע? • במצב זה הממברנה חוזרת שוב לפוטנציאל המנוחה מבלי לייצר פוטנציאל פעולה. • 4) תעלות הנתרן תלויות מתח נשארות פתוחות לזמן קצוב (כמלי שנייה אחת). • לאחר מכן הן נסגרות באופן אוטומטי ועוברות למצב אנאקטבציה: התעלה פתוחה מבחוץ אבל סגורה מבפנים. • המשמעות היא שכאשר תעלות הנתרן עוברות סטימולציה, הן מאפשרות זרם של נתרן פנימה לזמן קצוב, אותו משך זמן.

30. פוטנציאל הפעולה

31. פוטנציאל הפעולה • לכן זרם הנתרן מאפשר להגיע תמיד לאותו ערך של פוטנציאל הפעולה. • ז"א שתמיד מגיעים לאותו גודל, או אותה אמפליטודה, שזה mV 30+, ולא mV 50+ למשל. • לכן פוטנציאל הפעולה הוא תגובה של "הכול או לא כלום" (All or none). . אם הייתה הגעה לערך הסף, תמיד תהיה הגעה לערך השיא, ואם לא תהיה הגעה לערך הסף לא ייווצר פוטנציאל פעולה בכלל. • מכאן השם: פוטנציאל הפעולה או שהוא נוצר בצורה מלאה, או שהוא לא נוצר בכלל.

32. פוטנציאל הפעולה • 5) אחרי ההגעה לערך השיא, פוטנציאל הממברנה מתחיל לחזור בכיוון פוטנציאל המנוחה, בכיוון mV 70-. • תהליך זה נקרא Repolarization . • מדוע מתרחש תהליך זה? • כאשר מגיעים לערך הסף נפתחות לא רק תעלות נתרן, אלא גם תעלות אשלגן תלויות מתח: Voltage gated K channels. • תעלות האשלגן מגיבות בצורה יותר איטית מתעלות הנתרן. • לכן הן לא מתחילות להעביר זרם לפני שמתח הממברנה הגיע ל mV 30+ .

33. פוטנציאל הפעולה • כאשר תעלות אשלגן נפתחות, אשלגן יוצא מהתא לפי מפל הריכוזים, ועכשיו גם לפי המפל החשמלי. מדוע? • לכן זה גורם להחזרת הערך של פוטנציאל הממברנה לזה שהיה לפני הגירוי. • 6) בגלל שתעלות האשלגן נשארות פתוחות גם אחרי ההגעה לפוטנציאל המנוחה, זה גורם ליצירה של תקופה קצרה של היפרפולרזציה. • מה המשמעות לכך? • לאחר מכן פוטנציאל הממברנה חוזר לערך המנוחה. • איך הנתרן והאשלגן חוזרים למקום ההתחלתי שלהם?

34. פוטנציאל הפעולה

35. תקופה רפרקטורית מוחלטת(Refractory PeriodAbsolute) • תקופה רפרקטורית היא תקופה קצרה שבמשך שלה, אזור מקומי לאורך האקסון אינו ניתן לגירוי: עמיד בפני גירוי נוסף. • לתקופת זמן של כחצי מלי שנייה אחרי שהממברנה הגיעה לערך הסף, היא לא תגיב לגירוי נוסף בכלל, ולא משנה מה גודל הגירוי. • תקופה זו היא התקופה הרפרקטורית המוחלטת: Absolute Refractory Period . .למה הכוונה? • מה המנגנון שעומד מאחורי תקופה זו?

36. תקופה רפרקטורית

37. תקופה רפרקטורית

38. תקופה רפרקטורית יחסית)Relative refractory period( • ישנה גם תקופה רפרקטורית יחסית: Relative refractory period. • כמה מלי שניות אחרי התקופה הרפרקטורית המוחלטת, זמן שבו הממברנה נמצאת בתהליך רה-פולריזציה ובחזרה לפוטנציאל המנוחה. • בתקופה זו הממברנה אמנם מגיבה לגירוי ואפשר לייצר פוטנציאל פעולה, אבל רק בתגובה לגירוי חזק מאוד. • במצב הזה תעלות הנתרן סגורות, אבל ניתנות לגירוי. • למה צריך גירוי יותר חזק לייצר פוטנציאל פעולה?

39. תקופה רפרקטורית • האם גירוי חזק יגביר את הגודל של פוטנציאל הפעולה? • מדוע? • במה יתבטא גירוי חזק? • ככל שהגירוי יותר חזק, פוטנציאל הפעולה ייווצר יותר מוקדם (בתקופה הרפרקטורית היחסית). • לכן התדירות (Frequency) של הגירוי עולה.

40. ההולכה של פוטנציאל הפעולה: סיבים שאינם מכוסים במיאלין • בשיא של פוטנציאל הפעולה, החלק הפנימי של ממברנת האקסון חיובי ביחס לחלק החיצוני של הממברנה. • ז"א שהפולריות עכשיו היא הפוכה מהפולריות במצב מנוחה. • הדבר הזה גורם להעברת זרם חשמלי (יון הנתרן) בין המקום שבו נוצר פוטנציאל הפעולה, לבין האזורים הסמוכים בממברנה. • העברת זרם לאתר הסמוך, תגרום לדה-פולריזציה, הגעה לערך הסף, ופתיחה של תעלות נתרן תלויות מתח באזור הסמוך. • כתוצאה מכך נתרן נכנס פנימה, מה שגורם ליצירת פוטנציאל פעולה באזור הסמוך.

41. ההולכה של פוטנציאל הפעולה: סיבים שאינם מכוסים במיאלין

42. ההולכה של פוטנציאל הפעולה: סיבים שאינם מכוסים במיאלין • בכל מקום איפה שנוצר פוטנציאל פעולה, יש "הזרקה" של נתרן לתוך התא. • לכן פוטנציאל הפעולה נע מנקודה אחת לנקודה הסמוכה לאורך האקסון. • הולכה באקסונים שאינם מכוסים בשיכבת מיאלין היא הולכה מ Point-to-Point. • מעגל זה חוזר על עצמו, בגלל שכל פוטנציאל פעולה גורם להכנסת מספיק זרם של נתרן, על מנת לעבור את ערך הסף באזור הסמוך בממברנה. • למה תגרום הגעה לערך הסף באזור הסמוך?

43. ההולכה של פוטנציאל הפעולה: סיבים שאינם מכוסים במיאלין • בגלל שפוטנציאל הפעולה הוא "הכול או לא כלום", לכן הוא מתקדם, או נוצר ללא דעיכה או ירידה בגודל שלו. • פוטנציאל הפעולה אף פעם לא ינוע אחורה. • ז"א הוא לא יכול לגרום להפעלה מחדש של האזור שהגיע ממנו. • מה היא הסיבה לכך? • מדוע יש הולכה של הגירוי רק בכיוון אחד?

44. ההולכה של פוטנציאל הפעולה:

45. ההולכה של פוטנציאל הפעולה: סיבים המכוסים במיאלין • בסיבים המכוסים בשכבת מיאלין, מעטפת המיאלין מתפקדת כחומר בידוד. • לכן היא מונעת (או מתנגדת) מעבר יונים דרכה. • באיזה איזור האקסון שמכוסה במיאלין חשוף לסביבה החוץ תאית? • שינוי חשמלי בממברנה יכול להתרחש רק באותם מרווחים קטנים בממברנה, שנקראים Nodes of Ranvier (קשרי רנבייה). • כאשר פוטנציאל הפעולה מתרחש ב Node אחד, הזרם החשמלי (תנועה של יונים) זורם מתחת למעטפת המיאלין ל Node הבא.

46. ההולכה של פוטנציאל הפעולה: סיבים המכוסים במיאלין

47. ההולכה של פוטנציאל הפעולה: סיבים המכוסים במיאלין

48. ההולכה של פוטנציאל הפעולה: סיבים המכוסים במיאלין • זה גורם לדה-פולריזציה ב Node הסמוך. • לכן חלה פתיחה של תעלות נתרן תלויות מתח, שנמצאות בצפיפות גבוהה ב Nodes of Ranvier, ויצירה של פוטנציאל פעולה. • פוטנציאל הפעולה קופץ מ Node לאחר, סוג זה של יצירה מחדש של פוטנציאל הפעולה נקרא:Saltatory Conduction . • חשוב לציין שאין באמת הולכה של פוטנציאל הפעולה. • כל פוטנציאל פעולה הוא אירוע שלם שחוזר על עצמו, או מיוצר מחדש לאורך האקסון.

49. ההולכה של פוטנציאל הפעולה: סיבים המכוסים במיאלין

50. Saltatory conduction