Gradētais un darbības potenciāls: atšķirības

Gradētais potenciāls sākas tur, kur neirons saņem informāciju. Visbiežāk tā ir sinapse uz dendrīta vai šūnas ķermeņa: izdalītā signālviela piesaistās receptoram, atveras jonu kanāls, un caur to ieplūstošie vai izplūstošie joni maina vietējo spriegumu. Ja ieplūst pozitīvi lādēti joni, membrāna kļūst mazāk negatīva, un rodas ierosas postsinaptiskais potenciāls. Ja ieplūst hlors vai izplūst kālijs, membrāna kļūst negatīvāka, un rodas bremzes postsinaptiskais potenciāls.

Otrs gradēto potenciālu avots ir maņu šūnas. Ādā spiediens atver mehāniski vadāmus kanālus, gaismas uztvērējos gaisma maina jonu plūsmu, garšas šūnās to dara ķīmiskas vielas. Šādu potenciālu sauc par receptora potenciālu, un tā lielums ir tieši atkarīgs no kairinājuma stipruma. Tieši tāpēc vieglu pieskārienu var atšķirt no spēcīga spiediena.

Trešā tipiskā vieta ir neiromuskulārā sinapse, kur acetilholīns rada gala plātnītes potenciālu. Arī tas ir gradēts potenciāls, un tikai tad, ja tas ir pietiekami liels, muskuļa šķiedrā rodas darbības potenciāls.

Gradētais potenciāls izplatās pasīvi, tikai tāpēc, ka lādiņš plūst gar membrānas iekšpusi. Ceļā daļa lādiņa aizsūcas caur membrānu, tāpēc signāls ar attālumu vājinās un izdziest. Tas nav trūkums, bet gan šīs sistēmas jēga: vājš, izdziestošs signāls neaiziet tālāk, ja to nepastiprina citi.

Visi vienlaikus ienākošie gradētie potenciāli saplūst vienā vietā, ko sauc par aksona pauguriņu. Šajā vietā membrānā ir visblīvāk izvietoti sprieguma vadītie nātrija kanāli, tāpēc tieši te šūna pieņem lēmumu.

Ja summētais spriegums šajā punktā sasniedz slieksni, kas nervu šūnās parasti ir ap mīnus piecdesmit pieciem milivoltiem, nātrija kanāli atveras. Nātrijs strauji ieplūst šūnā, spriegums lec uz pozitīvo pusi, un šī maiņa atver vēl vairāk kanālu. Process kļūst pašuzturošs, un tieši tāpēc tā lielums vairs nav atkarīgs no kairinājuma.

Pēc mirkļa nātrija kanāli paši sevi aizver un uz laiku kļūst nespējīgi atvērties no jauna. Vienlaikus atveras lēnākie kālija kanāli, kālijs izplūst no šūnas, un spriegums atgriežas atpakaļ, bieži uz īsu brīdi pat pārsniedzot sākotnējo negatīvo vērtību.

Kamēr nātrija kanāli ir šajā slēgtajā stāvoklī, jaunu darbības potenciālu izraisīt nevar vispār; tas ir absolūtais refraktārais periods. Tam seko relatīvais periods, kad jauns potenciāls ir iespējams, bet tikai ar stiprāku kairinājumu. Šī īpašība nosaka, cik bieži nervs vispār spēj signalizēt, un neļauj impulsam iet atpakaļ turp, no kurienes tas nāca.

1. Miera stāvoklī membrānas iekšpuse ir negatīva, un sprieguma vadītie kanāli ir slēgti.
2. Summētie gradētie potenciāli aksona pauguriņā sasniedz slieksni.
3. Nātrija kanāli atveras lavīnveidīgi, un notiek strauja depolarizācija.
4. Nātrija kanāli inaktivējas, atveras kālija kanāli, sākas repolarizācija.
5. Īslaicīgi iestājas pastiprināta negativitāte, un jonu sūkņi atjauno sākotnējo sadalījumu.
6. Refraktārā perioda laikā jauns potenciāls nav iespējams, tāpēc impulss virzās tikai uz priekšu.

Vienkāršākais veids, kā abus atšķirt, ir pajautāt, vai signāla lielums var mainīties. Ja var, tas ir gradēts potenciāls. Ja nevar, tas ir darbības potenciāls.

Otrs pārbaudes jautājums ir par attālumu. Gradētais potenciāls praktiski nekad nesasniedz citu šūnu; tas darbojas tikai turpat, kur radies. Darbības potenciāls ir domāts tieši attāluma pārvarēšanai, un tas var nobraukt no muguras smadzenēm līdz pēdas muskulim bez jebkāda vājinājuma.

Ja būtu tikai darbības potenciāli, nervu sistēma nevarētu neko salīdzināt vai izsvērt. Katrs ienākošais signāls uzreiz izraisītu impulsu, un smadzenes būtu vienkārša pārslēgšanas ierīce bez sprieduma.

Ja būtu tikai gradētie potenciāli, informācija nespētu pārvietoties tālāk par dažiem desmitiem mikrometru. Ķermeņa mērogā tas nozīmētu, ka pēdas signāls nekad nesasniegtu galvu.

Kopā abi veido divpakāpju sistēmu. Gradētie potenciāli summējas: ja vairākas sinapses nostrādā vienlaikus dažādās vietās, tas ir telpiskā summācija; ja viena sinapse nostrādā vairākas reizes ātri pēc kārtas, tas ir laika summācija. Bremzējošie potenciāli no summas atņem. Tikai gala rezultāts izšķir, vai impulss vispār rodas.

Informācija par kairinājuma stiprumu tāpēc nepazūd, bet tiek pārkodēta. Aksonā to nes nevis impulsa lielums, bet gan impulsu biežums un tas, cik daudz šķiedru vienlaikus signalizē. Stiprs kairinājums nozīmē biežākus impulsus, nevis lielākus.

Darbības potenciāla ātrums nav vienāds visās šķiedrās. To nosaka divas lietas: šķiedras biezums un tas, vai tai ir mielīna apvalks. Resnākā šķiedrā iekšējā pretestība ir mazāka, tāpēc lādiņš gar to izplatās tālāk.

Mielīns ir daudzkārt aptīta šūnas membrāna, kas darbojas kā izolācija. Tas ir pārtraukts vietās, ko sauc par Ranvjē pārtvērumiem, un tieši tur ir sakoncentrēti nātrija kanāli. Rezultātā darbības potenciāls neveidojas katrā membrānas punktā, bet lec no viena pārtvēruma uz nākamo. Šo vadīšanas veidu sauc par lēcienveida vadīšanu, un tā ir gan ātrāka, gan enerģētiski lētāka.

Mielinizācija nav pabeigta dzimšanas brīdī. Tā turpinās visu bērnību un pusaudža gadus, un tieši ar to skaidro, kāpēc maziem bērniem kustību koordinācija un reakcijas ātrums ir lēnāks. Otrā mūža galā vadīšanas ātrums pakāpeniski nedaudz samazinās, kas ir normālas novecošanās daļa, nevis slimība.

Miastēnijas gadījumā antivielas bojā acetilholīna receptorus neiromuskulārajā sinapsē. Gala plātnītes potenciāls, kas ir gradēts potenciāls, kļūst par mazu, lai sasniegtu slieksni, tāpēc muskuļa šķiedrā darbības potenciāls nerodas un muskulis nesaraujas. Šis ir tīrākais piemērs tam, ka abi potenciālu veidi ir atsevišķi posmi.

Demielinizējošās slimībās, tostarp multiplajā sklerozē, cieš izolācija. Lēcienveida vadīšana kļūst lēnāka vai pārtrūkst pavisam, un simptomi ir atkarīgi no tā, kurš ceļš skarts.

Jonu kanālu iedzimtus defektus sauc par kanalopātijām, un tie var izpausties kā epilepsija, periodiska muskuļu vājuma lēkmes vai sirds ritma traucējumi. Arī vielmaiņas izmaiņas ietekmē slieksni: paaugstināts kālija līmenis asinīs padara membrānu mazāk uzbudināmu, jo nātrija kanāli paliek inaktivēti, bet zems kalcija līmenis slieksni pietuvina un izraisa muskuļu krampjus.

Vietējās anestēzijas līdzekļi darbojas tieši uz sprieguma vadītajiem nātrija kanāliem. Tie neļauj rasties darbības potenciālam, tāpēc sāpju signāls tiek radīts, bet nekur netiek nogādāts. Ar nervu sistēmas uzbudināmības traucējumiem nodarbojas neirologs, muskuļu un sinapses slimībām bieži neiromuskulārās jomas speciālists.

Cilvēkam atsevišķas šūnas spriegumu nemēra. Klīniskajā praksē mēra vai nu daudzu šūnu summētos gradētos potenciālus, vai daudzu aksonu vienlaicīgus darbības potenciālus, un tie ir divi dažādi izmeklējumi ar dažādām indikācijām.

• Elektroencefalogrāfija fiksē garozas neironu sinaptisko jeb gradēto potenciālu summu, nevis atsevišķus darbības potenciālus.
• Izraisītie potenciāli mēra, cik ilgā laikā un cik pilnīgi signāls no maņu orgāna sasniedz garozu.
• Elektroneirogrāfija jeb nervu vadīšanas izmeklējums mēra kopējo darbības potenciālu un tā ātrumu perifērā nervā.
• Elektromiogrāfija reģistrē muskuļa šķiedru darbības potenciālus gan miera stāvoklī, gan saspringstot.
• Atkārtota nerva stimulācija palīdz atklāt sinapses pārvades traucējumus, piemēram, miastēniju.

Bieži sastopams pārpratums ir tāds, ka stiprāks kairinājums rada lielāku darbības potenciālu. Tā nav: pēc sliekšņa sasniegšanas potenciāla lielums vairs nav atkarīgs no kairinājuma. Stiprumu nodod biežums.

Otrs ir sajaukšana ar miera potenciālu. Miera potenciāls nav nekāds signāls, bet gan izejas stāvoklis, kuru uztur nepārtraukta sūkņu darbība; tas prasa ievērojamu daļu no visas organisma enerģijas patēriņa.

Trešais ir pieņēmums, ka visas nervu šūnas rada darbības potenciālus. Daļa šūnu, piemēram, tīklenes fotoreceptori un bipolārās šūnas, strādā tikai ar gradētiem potenciāliem, jo attālumi tīklenē ir niecīgi un nepārtraukts, pakāpenisks signāls tur nodod vairāk informācijas nekā impulsu virkne.

Ceturtais ir domāt, ka joni signāla laikā pārvietojas lielā daudzumā. Patiesībā katrā impulsā pāri membrānai pārvietojas ļoti neliela daļa no kopējā jonu daudzuma; koncentrācijas praktiski nemainās, un tieši tāpēc nervs spēj signalizēt daudzas reizes pēc kārtas.