aktionspotential

Ved ca. -50 mV åbner nogle af Na⁺-kanalerne. Det kaldes aktivering, og så strømmer positive natriumioner ind i nervecellen, der derved bliver endnu mere depolariseret. Dette åbner endnu flere Na⁺-kanaler, og en selvforstærkende proces er sat i gang. Den medfører, at membranpotentialet bliver positivt – op til ca. +40 mV.

Processen stopper, fordi Na⁺-kanalerne har en lukkemekanisme, som udløses ved depolarisering. Lukkemekanismen kaldes inaktivering, og den er langsommere end aktiveringen af Na⁺-kanalerne. Der opstår derfor et lille tidsvindue, hvor natriumkanalerne er åbne, fordi de er aktiverede og endnu ikke inaktiverede. Depolariseringsfasen af aktionspotentialet forløber i dette tidsvindue.

K⁺-kanalerne i nervemembranen er spændingsafhængige og åbnes også ved depolarisering, men åbningen er, ligesom inaktiveringen af Na⁺-kanalerne, langsommere end Na⁺-kanalernes aktivering. Når membranen er depolariseret til +40 mV, vil et betydeligt antal af K⁺-kanalerne åbne, og membranen domineres nu af åbne K⁺-kanaler og inaktiverede (lukkede) Na⁺-kanaler. Det medfører, at der i stedet for en strøm af positive Na-ioner ind i cellen, er en strøm af positive K-ioner ud af cellen. Det repolariserer cellemembranen og fører endda til, at membranpotentialet i en periode bliver endnu mere negativt end hvileværdien. Det er efterhyperpolariseringen. K⁺-kanalerne har ikke en inaktiveringsmekanisme, men lukker igen, fordi de kun kan stå åbne, når membranen er depolariseriet. Hermed vender membranpotentialet tilbage til hvileværdien på -70 mV.

Umiddelbart efter aktionspotentialet kan membranen ikke generere et nyt aktionspotential. Det skyldes først og fremmest, at natriumkanalernes inaktivering ikke forsvinder med det samme, men også at membranen er hyperpolariseret og domineret af strømmen af K⁺ ud af cellen. Denne periode kaldes refraktærperioden.

Selv om der strømmer Na⁺ ind i nervecellen og K⁺ ud af cellen under aktionspotentialet, så ændres ionkoncentrationerne ikke nævneværdigt. Det skyldes, at antallet af ioner, der flytter sig, er forsvindende lille i forhold til det antal ioner, der findes på de to sider af membranen.

Et eksempel på kemisk stimulation er synaptisk transmission, som er den generelle måde, hvorpå nerveceller overfører signaler til hinanden. Nerveceller danner små kontaktpunkter kaldet synapser. I synapser overføres signaler sædvanligvis kun en vej. Hvis afsendercellen affyrer et aktionspotential, frigives signalstof kaldet en transmitter eller neurotransmitter til det lille rum mellem de to nerveceller i synapsen. Når neurotransmitter-molekylerne er frigivet, sætter de sig på specialiserede molekyler (receptorer) på modtagercellens membran. Receptorerne fungerer, samtidig med at de binder neurotransmitteren, som ionkanaler, der åbnes af bindingen af transmitteren til receptoren.

Hvis receptor/ionkanalen tillader strøm af fx Na⁺ ind i modtagercellen, så depolariseres modtagercellen, og hvis det er en receptor/ionkanal, der tillader fx K⁺ at strømme ud af cellen, så hyperpolariseres modtagercellen. Neurotransmitteren fjernes hurtigt ved nedbrydning eller ved at blive optaget af de omgivende celler, så den synaptiske transmission varer sædvanligvis kun nogle få millisekunder.

Denne form for kemisk signaloverførsel kaldes synaptisk transmission. Depolariseringen kaldes et excitatiorisk synaptisk potential (EPSP) og hyperpolariseringen kaldes et inhibitorisk synaptisk potential (IPSP). Synaptiske potentialer er i reglen små (1–10 mV), men hvis flere EPSP'er forekommer samtidig, så summeres de, og derved skabes en depolarisering, der er stor nok til at tærsklen for et aktionspotential bliver nået. Det betyder, at et aktionspotential i en nervecelle ikke nødvendigvis udløser et aktionspotential i en anden nervecelle, som den er i kontakt med, men aktionspotentialet kan øge sandsynligheden for, at modtagercellen affyrer et aktionspotential. IPSP'er fjerner membranpotentialet fra tærskelværdien, og derfor fungerer disse synaptiske potentialer som hæmmere. De mindsker sandsynligheden for, at der opstår et aktionspotential.

Eksperimentelt kan nerveceller isoleres, og så har de et stabilt hvilemembranpotential, men når cellerne sidder i netværk af nerveceller, så bombarderes de konstant af synaptisk aktivitet, og så fluktuerer membranpotentialet. Et eksempel på den konstante synaptiske aktivitet ses i figur 2.

Celler, der er mekanisk følsomme, er mekanoreceptorer og hårceller. Mekanoreceptorerne sidder bl.a. i kropsoverflader som hud, slimhinder osv. Hårcellerne sidder i det indre øre. Fælles for disse celler er, at deres cellemembran indeholder specialiserede ionkanaler, der reagerer på mekanisk påvirkning. Ved tryk, stræk, lyd eller anden mekanisk påvirkning åbnes ionkanalerne, så positive ioner, fx Na⁺ eller Ca²⁺, løber ind i cellen. Det fører til en depolarisering, der i mekanoreceptorerne er stor nok til, at tærsklen for aktionspotentialet nås. Aktionspotentialer i mekanoreceptorer starter en kæde af signaler til hjernen, der opleves som berøring,

Hårceller sidder i indre øre, og disse celler affyrer ikke aktionspotentialer, når de stimuleres mekanisk af enten lyd eller acceleration. De frigiver derimod transmitter, som depolariserer en nervefiber i hørenerven, så den affyrer aktionspotentialer, hvilket giver en oplevelse af lyd, hvis hårcellen er placeret i ørets snegl (cochlea). Hvis hårcellen sidder i buegangene (vestibulærapparatet) giver det en oplevelse af, at hovedet bevæger sig.

Varme og kulde aktiverer termoreceptorer. En varmefølsom termoreceptor har i cellemembranen nogle ionkanaler, der åbner, hvis cellen udsættes for varme. Kuldefølsom termoreceptor har ionkanaler i membranen, der åbner ved kuldepåvirkning. I begge tilfælde løber positive ioner ind i cellen og skaber en depolarisering, så tærsklen for udløsning af aktionspotentialer nås. På samme måde som med mekanoreceptorer starter en signalkæde til hjernen, men oplevelsen bliver i dette tilfælde varme eller kulde.

Ionkanalerne i membranen kan desuden, hos en varmefølsom termoreceptor, åbnes af capsaicin, der er det aktive stof i chili. Det er forklaringen på, at stærk chili giver en brændende fornemmelse. Mentol kan åbne ionkanalerne i kuldefølsomme termoreceptorer, og derfor opleves mentol som kølende.

De egentlige sanseceller i øjet, kaldet fotoreceptorerne, danner ikke aktionspotentialer. De reagerer kun med udsving (fluktuationer) af membranpotentialet ved lyspåvirkning. Fluktuationerne udløser ændring i den mængde transmitter, som fotoreceptorerne til stadighed frigiver, og denne ændring omsættes til aktionspotentialer af andre celler i øjet.

Der er andre nerveceller i øjets nethinde, der indeholder et pigment kaldet melanopsin, som absorberer fotoner. Denne absorbering af fotoner udløser aktionspotentialer på en endnu ikke helt klarlagt måde. De melanopsinholdige nerveceller signalerer direkte til kroppens såkaldte "indre ur", der er en ansamling af nerveceller i hypothalamus, kaldet nucleus suprachiasmaticus. Denne signalmekanisme sikrer, at kroppens indre ur går i overensstemmelse med dag og nat i den omgivende verden.

Naturlig elektrisk stimulation af excitable celler forekommer, hvis to celler er forbundet med en specialiseret celleforbindelse kaldet gap junctions. Det er rørformede proteinmolekyler, igennem hvilke ioner kan bevæge sig fra den ene celle til den anden. Det betyder, at hvis der er udløst et aktionspotential (eller blot en mindre potentialændring) i den ene celle, så spreder denne potentialændring sig umiddelbart til den anden. Gap junctions findes i hjertet og i visse områder af hjernen, og de er med til at synkronisere den elektriske aktivitet i cellerne.

Eksperimentelt benyttes elektrisk stimulation særdeles meget ved undersøgelser af nervevæv og muskelvæv. Hvis en elektrode anbringes i eller blot tæt ved en muskel- eller nervecelle, så kan et kort og passende stærkt strømstød fra elektroden udløse et aktionspotential.

Når aktionspotentialet bevæger hen ad axonmembranen, så sker det uden at potentialet afsvækkes, og det sker med en hastighed, som er afhængig af axonets tykkelse. Jo tykkere axonet er, desto hurtigere løber aktionspotentialet. De tykkeste axoner i motorneuroner hos mennesker har en ledningshastighed på omkr. 60 meter per sekund, svarende til 216 km i timen.

Sensoriske neuroner kan være endnu hurtigere. De tykkeste af dem har en ledningshastighed af aktionspotentialer på omkring 100 meter per sekund, svarende til 360 km i timen. Tynde axoner leder aktionspotentialer meget langsommere; helt ned til omkr. 50 cm per sekund, svarende til 1.8 km per time.

Ionstrømmene, der genererer aktionspotentialet, løber ikke kun ind og ud gennem membranen, men også langs membranen på indersiden og ydersiden, som det ses på figur 3.

Strømmen af positive natriumioner løber ind og gør axonets initialsegment mere positivt indvendigt under depolariseringsfasen. Herved opstår der en potentialforskel mellem initialsegmentets indre og den del af axonet, som ligger længere væk fra cellelegemet. Det medfører, at der opstår en længegående elektrisk strøm fra initialsegmentet og videre ud i axonets indre. Denne strøm vil gradvist depolarisere axonet foran det sted, hvor aktionspotentialet er, og når denne depolarisering er stor nok, dannes der også et aktionspotential længere ude i axonet. Aktionspotentialet har altså flyttet sig et stykke ud ad axonet ved hjælp af en længdegående strøm inde i axonet. Processen gentager sig, indtil aktionspotentialet har nået enden af axonet.

Elektrisk strøm kan kun løbe i lukkede kredsløb, og i figur 3 illustreres det, hvorledes den samlede strøm gennem membranen, hvor aktionspotentialet er, og i naboregionerne, hvor aktionspotentialet har været, og hvortil det snart ankommer, ser ud. Strømmen bæres af de ioner, der er til stede i det ledende medie, som er væsken inde i axonet og væsken udenfor – svarende til K⁺ inde i axonet og Na⁺ og Cl^- udenfor.

Længden af den forreste strømsløjfe bestemmer axonets ledningshastighed. Hvis axonet er tykt, løber strømmen inde i axonet med mindre modstand, og den bliver derfor længere. Det er forklaringen på, at tykke axoner leder hurtigere end tynde.

Hvis axonmembranen ikke tillader den indre strøm at løbe ud, så bliver strømsløjfen også længere. Nogle axoner er pakket ind i fedtstoffet myelin, og det gør membranen meget tæt, så disse myeliniserede axoner har også høj ledningshastighed. Myelinen sidder ikke overalt. Med mellemrum er der små ophold i myelinbeklædningen, som kaldes ranviers'ke indsnøringer, hvor membranen er nøgen, og her kan der dannes aktionspotentialer. I myeliniserede axoner springer eller hopper aktionspotentialet fra indsnøring til indsnøring. Det kaldes saltatorisk ledning.

De hurtigste axoner hos både motorneuroner og sensoriske neuroner er tykke og myeliniserede. Myelin beklæder også mange axoner inde i hjerne og rygmarv, og det er denne myelin, der ødelægges ved sygdommen multipel sklerose.

I stedet for at anbringe en måleelektrode inde i den excitable celle, kan måleelektroden anbringes tæt på ydersiden af cellemembranen og en anden elektrode (referenceelektroden) et andet, elektrisk neutralt sted på kroppen, fx på håndleddet. Måleelektroden vil måle potentialet umiddelbart ved ydersiden af cellemembranen, og det vil være 0 mV, hvis cellen ikke affyrer et aktionspotential. Referencelektroden vil også måle 0 mV. Differencen mellem de målte potentialer bliver også 0 mV.

Hvis der nu forekommer et aktionspotential på den del af membranen, som måleelektroden står ved, så vil måleelektroden blive påvirket af, at der forsvinder positive natriumioner ind i cellen. Den vil primært måle et negativt potential, fordi de positive ioner mangler i ekstracellulærrummet. Der kan eventuelt være et positivt udslag før og/eller efter det negative udslag. De positive udslag skyldes strømsløjferne, der befinder sig før og efter selve aktionspotentialet.

Eftersom referenceelektroden måler 0 mV, også under aktionspotentialet, så vil differencen i potential mellem de to elektroder primært være negativt. Det ekstracellulært målte aktionspotential er altså en negativ størrelse i modsætning til det intracellulært målte, der er positiv. Hvor det intracellulære aktionspotential er ca. 100 mV stort, så er den ekstracellulære målte værdi 100 til 1000 gange mindre, nemlig 0,01 – 1 mV. Potentialændringerne målt over membranen er altså meget større end potentialændringerne målt ude i ekstracellulærrummet.

Figur 4 viser en registrering af den elektriske aktivitet i håndmuskel hos et menneske. Registreringen kaldes et elektromyogram (EMG). Mange af muskelcellerne affyrer aktionspotentialer. Nogle af cellerne ligger forholdsvis langt fra registreringselektroden og bidrager kun ganske lidt til det registrerede signal. Andre ligger tættere på og bidrager mere. Cellernes aktivitet er asynkron, og derfor ligner det samlede signal mest støj. Dette kaldes for et interferensmønster. Der imidlertid en enkelt muskelcelle, der ligger ganske tæt på måleelektroden, og dens aktivitet er markeret med røde prikker.

I højre del af figuren er baggrundsstøjen filtreret væk og muskelcellens aktionspotentialer er isoleret, ekspanderet og lagt oven på hinanden. Dette er det normale, ekstracellulært målte aktionspotential i en enkelt muskelcelle i en håndmuskel hos et menneske. Amplituden, dvs. det største udsving ift. middelværdien, er ca. 0,02 mV og varigheden ca. 5 ms, hvilket er noget længere end aktionspotentialet i en nervecelle. Registrering af skeletmusklers elektriske aktivitet bruges til diagnosticering af sygdomme i musklerne og sygdomme i de nerver, der forsyner muskulaturen.

Måling af den elektriske aktivitet excitabelt væv bruges også til at undersøge hjertets funktion: elektrokardiografi (EKG), perifere nerver: elektroneurografi, også kaldet neuronografi (ENG), og hjernen: elektroencefalografi (EEG).

Ved EEG består signalet både af elektrisk aktivitet, som er genereret af synaptisk transmission mellem hjernens neuroner og af neuronernes aktionspotentialer. Signalet på EEG'et vises som bølger. Under normale forhold i hjernen kommer det største bidrag til EEG-signalet fra den synaptiske aktivitet, fordi den synaptiske aktivitet i hjernen er større end den elektriske aktivitet, der er genereret af aktionspotentialer. Under abnorme forhold, som for eksempel under et epilepsianfald, vil bidraget fra aktionspotentialerne stige kraftigt og udgøre en meget større del af EEG-signalet.

De afgørende gennembrud kom, da de engelske fysiologer Alan Lloyd Hodgkin og Andrew Fielding Huxley omkring 1938 begyndte at arbejde med kæmpeaxoner, der var isoleret fra tiarmede blæksprutter (loligo forbesi). Disse axoner er så store, at de kan ses med det blotte øje, og det er forholdsvis nemt at anbringe måleelektroder i og udenfor axonmembranen. Det er tilmed muligt at ændre på ionsammensætningen både inde i axonet og udenfor. Hermed blev det muligt for Hodgkin og Huxley at studere de strømme, der er ansvarlige for aktionspotentialet, og identificere de ioner, der bærer strømmene i og langs membranen.

I 1952 kulminerede deres arbejde med publiceringen af fem artikler, den første sammen med den tysk-engelsk fysiolog Bernard Katz, som redegjorde for ionstrømmene under aktionspotentialet og for hvilke ioner, der bærer strømmene, og de skabte en matematisk model af axonmembranen og aktionspotentialet, som blev grundlaget for omfattende biologisk forskning i excitabelt væv og for computermodeller af nerveceller og neurale netværk. Aktionspotentialet i figur 1 i denne artikel er genereret af Hodgkins og Huxleys matematiske model af blæksprutteaxonet.

Hodgkin og Huxley delte Nobelprisen i medicin og fysiologi i 1963 med den australske fysiolog John Carew Eccles.