Деполяризующий преимпульс

( Деполяризующий преимпульс ДПП ) — это электрический стимул, который заставляет разность потенциалов, измеренную на нейрона, мембране становиться более положительной или менее отрицательной и предшествует другому электрическому стимулу. ^[1] ДПП могут относиться к стимулам напряжения или тока и используются для подавления нейронной активности. ^[1] избирательно возбуждают нейроны, ^[2] и повысить болевой порог, связанный с электрокожной стимуляцией . ^[3]

Биофизические механизмы

Модель Ходжкина – Хаксли

Обобщены исходные значения, сообщенные Ходжкиным и Хаксли.

Типичные потенциалы действия инициируются потенциалзависимыми натриевыми каналами . По мере увеличения трансмембранного напряжения увеличивается вероятность того, что данный потенциалзависимый натриевый канал открыт, что обеспечивает приток Na. ⁺ ионы. Как только приток натрия становится больше, чем отток калия, петля положительной обратной связи поступления натрия замыкается и, таким образом, активируется потенциал действия.

В начале 1950-х годов д-р. Ходжкин и Хаксли провели эксперименты на гигантском аксоне кальмара и в процессе разработали модель ( модель Ходжкина-Хаксли ) проводимости натриевых каналов. Было обнаружено, что проводимость можно выразить как:

{g}_{Na^{+}}={\bar {g}}_{Na^{+}}m^{3}h,

где ${\bar {g}}_{Na^{+}}$ — максимальная проводимость натрия, m — ворота активации, а h — ворота инактивации (оба ворота показаны на соседнем изображении). ^[4] Значения m и h варьируются от 0 до 1 в зависимости от трансмембранного потенциала.

По мере повышения трансмембранного потенциала значение m увеличивается, тем самым увеличивая вероятность того, что активационные ворота будут открыты. А по мере падения трансмембранного потенциала значение h увеличивается вместе с вероятностью того, что ворота инактивации будут открыты. Скорость изменения для ворот h намного медленнее, чем для ворот m , поэтому, если подпороговой стимуляции напряжением предшествует гиперполяризующий предимпульс, значение h может быть временно увеличено, позволяя нейрону запустить потенциал действия. .

И наоборот, если надпороговой вольтажной стимуляции предшествовать деполяризующим преимпульсом, значение h может быть временно уменьшено, что позволит затормозить нейрон. Иллюстрацию того, как может отличаться трансмембранная вольтажная реакция на надпороговый стимул в зависимости от наличия деполяризующего предымпульса, можно наблюдать на соседнем изображении.

Модель Ходжкина-Хаксли немного неточна, поскольку она не учитывает некоторые зависимости, например, ворота инактивации не должны иметь возможность закрыться, если ворота активации не открыты, а ворота инактивации, будучи закрытыми, расположены внутри клеточной мембраны , где они не могут быть закрыты. напрямую зависит от трансмембранного потенциала. ^[5] Однако эта модель полезна для получения высокого уровня понимания гиперполяризующих и деполяризующих предимпульсов. Деполяризация нейронов создает более вероятный исход возбуждения нейронов.

Потенциал-управляемый натриевый канал

Схема потенциал-чувствительной альфа-субъединицы натриевого канала. G- гликозилирование , P- фосфорилирование , S-селективность ионов, I-инактивация, положительные (+) заряды в S4 важны для трансмембранного напряжения.

С тех пор как модель Ходжкина-Хаксли была впервые предложена в 1950-х годах, многое было изучено относительно структуры и функциональности потенциал-управляемых натриевых каналов . Хотя точная трехмерная структура натриевого канала остается неизвестной, его состав и функциональность отдельных компонентов определены. Потенциал-управляемые натриевые каналы представляют собой большие мультимерные комплексы, состоящие из одной субъединицы α и одной или нескольких субъединиц β, иллюстрацию которых можно наблюдать на соседнем изображении. α-субъединица складывается в четыре гомологичных домена, каждый из которых содержит шесть α- спиральных трансмембранных сегментов. ^[6] Сегменты S ₄ каждого домена служат датчиками напряжения для активации. Каждый сегмент S ₄ состоит из повторяющейся структуры, состоящей из одного положительно заряженного остатка и двух гидрофобных остатков, которые объединяются, образуя спиральную структуру. Когда канал деполяризуется, эти сегменты S ₄ натриевого канала претерпевают конформационные изменения, которые расширяют спиральное расположение и открывают пору . В течение миллисекунд после открытия поры внутриклеточная петля, соединяющая домены III и IV, связывается с внутриклеточной порой канала, инактивируя канал. ^[7] Таким образом, обеспечивая деполяризующий предимпульс перед стимулом, существует большая вероятность того, что инактивирующие домены натриевых каналов связались с соответствующими порами, уменьшая вызванный стимулом приток натрия и влияние стимула.

Деполяризующие свойства предымпульса

Продолжительность ДПП

Связь между продолжительностью ДПП и рекрутированием нейронов следующая. Если длительность ДПП относительно невелика, т. е. значительно меньше 100 мкс, то порог возбуждения окружающих нервов будет снижаться, а не повышаться. Возможно, это результат деполяризации сегментов S ₄ и небольшого времени, отведенного на инактивацию. Для ДПП длительного действия доменам III и IV натриевых каналов (обсуждаемым выше) дается больше времени для связывания с порами соответствующих каналов, поэтому наблюдается увеличение порогового тока с увеличением продолжительности ДПП. ^[2]

Амплитуда ДПП

По мере увеличения амплитуды ДПП от нуля до близкого к порогу результирующее увеличение порогового тока также будет расти. ^[2]^[8] Это связано с тем, что более высокая амплитуда активирует больше натриевых каналов, что позволяет большему количеству каналов инактивироваться их доменами III и IV.

Межфазная задержка DPP

Увеличение задержки между ДПП и стимулом обеспечивает больше времени, в течение которого сегменты S4 натриевого канала _могут закрыться, а домены III и IV могут отделиться от соответствующих пор. Таким образом, увеличение межфазной задержки ДПП уменьшит эффективное увеличение порогового тока, индуцируемое ДПП. ^[2]

Деполяризующие преимпульсные приложения

Повышение болевого порога

Одно из немедленных применений деполяризующих преимпульсов, исследованное докторами. Полетто и Ван Дорена заключается в повышении болевого порога, связанного с электрокожной стимуляцией. ^[3] Электрокожная стимуляция обладает большим потенциалом как механизм передачи дополнительной сенсорной информации. Следовательно, этот метод стимуляции может быть непосредственно применен к таким областям, как виртуальная реальность , сенсорная замена и сенсорное увеличение. Однако многие из этих применений требуют использования небольших решеток электродов , стимуляция которых часто бывает болезненной, что ограничивает полезность этой технологии. Экспериментальная установка, построенная докторами. Полетто и Ван Дорен, заключалась в следующем:

4 человека, каждый из которых продемонстрировал способность давать надежные оценки боли в предыдущих исследованиях.
Средний палец левой руки опирается на дисковые электроды из полированной нержавеющей стали диаметром 1 мм.
одиночный стимул состоял из серии трех одинаковых пар преимпульсов и стимул-импульсов, представленных в начале, середине и конце 1-секундного интервала.
ширина преимпульса и стимулирующего импульса была согласована с длительностью 10 миллисекунд, так что пороговые значения были одинаковыми для обоих.
использовали различные амплитуды предимпульса: 0%, 79%, 63%, 50%, 40% и 32%, чтобы изучить их влияние на испытываемую боль.
опыты были проведены таким образом, что раздражитель без предимпульса был болезненным примерно в половине случаев; это было достигнуто путем увеличения и уменьшения амплитуды стимулирующего импульса для следующего испытания в зависимости от того, было ли оно отмечено как болезненное.

Их результаты показали, что предимпульс перед стимулирующим импульсом эффективно снижает вероятность возникновения боли из-за электрокожной стимуляции. Как ни удивительно, предимпульс в 32% от амплитуды стимулирующего импульса позволил почти вдвое снизить вероятность возникновения боли. Следовательно, в средах, в которых болевой порог трудно определить, может быть достаточно подать предимпульс относительно низкой амплитуды перед стимулом для достижения желаемого эффекта.

Порядок рекрутирования нервных волокон

Было замечено, что помимо ингибирования нервной возбудимости предшествующий электрическому стимулу деполяризующий преимпульс позволяет инвертировать соотношение ток-расстояние, контролирующее рекрутирование нервных волокон , где соотношение ток-расстояние описывает, как изменяется пороговый ток для возбуждения нервных волокон. пропорциональна квадрату расстояния между нервным волокном и электродом. ^[2] Следовательно, если область воздействия деполяризующего предымпульса меньше, чем область действия стимула, то нервные волокна, расположенные ближе к электроду, будут испытывать большее увеличение порогового тока возбуждения. Таким образом, при наличии такого стимула нервные волокна, ближайшие к электроду, могут тормозиться, а те, которые находятся дальше, могут возбуждаться. ^[2]^[9] Моделирование этой стимуляции, созданное докторами. Уоррена Гриля и Дж. Томаса Мортимера можно увидеть на соседнем изображении. Исходя из этого, стимул с двумя деполяризующими предимпульсами, каждый из которых имеет амплитуду немного ниже порогового тока (на момент доставки), должен увеличивать радиусы воздействия для инактивации близлежащих нервных волокон и возбуждения отдаленных нервных волокон.

Обычно нервные волокна большего диаметра могут активироваться одиночными импульсными стимулами меньшей интенсивности и, таким образом, могут быть задействованы легче. ^[1]^[2]^[10] Однако DPP продемонстрировали дополнительную возможность отменить этот порядок набора персонала. Поскольку электрические стимулы оказывают большее влияние на нервные волокна большего диаметра, ДПП, в свою очередь, вызывают большую степень инактивации натриевой проводимости внутри таких нервных волокон, поэтому нервные волокна меньшего диаметра будут иметь более низкий пороговый ток.

См. также

Предимпульсное торможение

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Гриль В.М., Мортимер Дж.Т. (1995). «Формы стимулов для избирательной нейронной стимуляции». Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology . 14 (4): 375–385. дои : 10.1109/51.395310 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Гриль В.М., Мортимер Дж.Т. (1997). «Инверсия соотношения ток-расстояние путем временной деполяризации». Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 44 (1): 1–9. дои : 10.1109/10.553708 . ПМИД 9214779 . S2CID 7149611 .
^ Jump up to: ^а ^б Полетто CJ, Ван Дорен CL (2002). «Повышение болевого порога у людей с помощью деполяризующих преимпульсов». Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 49 (10): 1221–1224. дои : 10.1109/TBME.2002.803563 . ПМИД 12374350 . S2CID 1817833 .
^ Ходжкин А.Л., Хаксли А.Ф. (1952). «Количественное описание ионных токов и его применение к проводимости и возбуждению в нервных мембранах» . Журнал физиологии . 117 (4): 500–544. doi : 10.1113/jphysicalol.1952.sp004764 . ПМЦ 1392413 . ПМИД 12991237 .
^ Даян, Питер; Эбботт, Ларри (2001). Теоретическая нейронаука . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 0-262-04199-5 .
^ Каттералл, Вашингтон (2000). «От ионных токов к молекулярным механизмам: структура и функции потенциалзависимых натриевых каналов» . Нейрон . 26 (1): 13–25. дои : 10.1016/S0896-6273(00)81133-2 . ПМИД 10798388 .
^ Ю Ф.Х., Каттералл, Вашингтон (2003). «Обзор семейства потенциал-управляемых натриевых каналов» . Геномная биология . 4 (3): 207. doi : 10.1186/gb-2003-4-3-207 . ПМК 153452 . ПМИД 12620097 .
^ Вукович А., Тосато М., Стрейк Дж.Дж. (2008). «Сравнительное исследование трех методов избирательной активации волокон блуждающего нерва по диаметру: анодная блокада, деполяризующие преимпульсы и медленно нарастающие импульсы». Журнал нейронной инженерии . 5 (3): 275–286. Бибкод : 2008JNEng...5..275В . дои : 10.1088/1741-2560/5/3/002 . ПМИД 18566504 . S2CID 7250314 .
^ Деурлоо К.Е., Хольшаймер Дж., Бергвелд П. (2001). «Влияние подпороговых предимпульсов на порядок рекрутирования в нервном стволе анализируется с помощью простой и реалистичной модели объемного проводника» (PDF) . Биологическая кибернетика . 85 (4): 281–291. дои : 10.1007/s004220100253 . ПМИД 11592625 . S2CID 8098294 .
^ Хеннингс К., Камавуако Е.Н., Фарина Д. (2007). «Порядок рекрутирования электрически активированных мотонейронов, исследованный с помощью новой техники столкновений». Клиническая нейрофизиология . 118 (2): 283–291. дои : 10.1016/j.clinph.2006.10.017 . ПМИД 17174598 . S2CID 25968304 .

Внешние ссылки

[Grill-1] Jump up to: ^а ^б ^с Гриль В.М., Мортимер Дж.Т. (1995). «Формы стимулов для избирательной нейронной стимуляции». Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology . 14 (4): 375–385. дои : 10.1109/51.395310 .

[Grill2-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Гриль В.М., Мортимер Дж.Т. (1997). «Инверсия соотношения ток-расстояние путем временной деполяризации». Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 44 (1): 1–9. дои : 10.1109/10.553708 . ПМИД 9214779 . S2CID 7149611 .

[Poletto-3] Jump up to: ^а ^б Полетто CJ, Ван Дорен CL (2002). «Повышение болевого порога у людей с помощью деполяризующих преимпульсов». Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 49 (10): 1221–1224. дои : 10.1109/TBME.2002.803563 . ПМИД 12374350 . S2CID 1817833 .

[Hodgkin-4] Ходжкин А.Л., Хаксли А.Ф. (1952). «Количественное описание ионных токов и его применение к проводимости и возбуждению в нервных мембранах» . Журнал физиологии . 117 (4): 500–544. doi : 10.1113/jphysicalol.1952.sp004764 . ПМЦ 1392413 . ПМИД 12991237 .

[Dayan-5] Даян, Питер; Эбботт, Ларри (2001). Теоретическая нейронаука . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 0-262-04199-5 .

[Catterall-6] Каттералл, Вашингтон (2000). «От ионных токов к молекулярным механизмам: структура и функции потенциалзависимых натриевых каналов» . Нейрон . 26 (1): 13–25. дои : 10.1016/S0896-6273(00)81133-2 . ПМИД 10798388 .

[Yu-7] Ю Ф.Х., Каттералл, Вашингтон (2003). «Обзор семейства потенциал-управляемых натриевых каналов» . Геномная биология . 4 (3): 207. doi : 10.1186/gb-2003-4-3-207 . ПМК 153452 . ПМИД 12620097 .

[Vuckovic-8] Вукович А., Тосато М., Стрейк Дж.Дж. (2008). «Сравнительное исследование трех методов избирательной активации волокон блуждающего нерва по диаметру: анодная блокада, деполяризующие преимпульсы и медленно нарастающие импульсы». Журнал нейронной инженерии . 5 (3): 275–286. Бибкод : 2008JNEng...5..275В . дои : 10.1088/1741-2560/5/3/002 . ПМИД 18566504 . S2CID 7250314 .

[Deurloo-9] Деурлоо К.Е., Хольшаймер Дж., Бергвелд П. (2001). «Влияние подпороговых предимпульсов на порядок рекрутирования в нервном стволе анализируется с помощью простой и реалистичной модели объемного проводника» (PDF) . Биологическая кибернетика . 85 (4): 281–291. дои : 10.1007/s004220100253 . ПМИД 11592625 . S2CID 8098294 .

[Hennings-10] Хеннингс К., Камавуако Е.Н., Фарина Д. (2007). «Порядок рекрутирования электрически активированных мотонейронов, исследованный с помощью новой техники столкновений». Клиническая нейрофизиология . 118 (2): 283–291. дои : 10.1016/j.clinph.2006.10.017 . ПМИД 17174598 . S2CID 25968304 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]