Деполяризующий преимпульс
Тип электрического раздражения нервов

Деполяризующий преимпульс ( DPP ) — это электрический стимул, который заставляет разность потенциалов, измеренную на нейронной мембране , становиться более положительной или менее отрицательной и предшествует другому электрическому стимулу. [1] DPP могут быть либо разновидностью стимула напряжения, либо тока и использовались для подавления нейронной активности, [1] избирательного возбуждения нейронов, [2] и повышения болевого порога, связанного с электрокожной стимуляцией. [3]

Биофизические механизмы

Модель Ходжкина–Хаксли

Иллюстрация стандартной модели канала Ходжкина–Хаксли Na +
Обобщенные исходные значения, полученные 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 ионов Na + . Как только приток натрия становится больше оттока калия, положительная обратная связь входа натрия замыкается, и, таким образом, запускается потенциал действия.

В начале 1950-х годов доктора Ходжкин и Хаксли провели эксперименты на гигантском аксоне кальмара и в процессе разработали модель ( модель Ходжкина–Хаксли ) для проводимости натриевого канала. Было обнаружено, что проводимость может быть выражена как:

г Н а + = г ¯ Н а + м 3 час , {\displaystyle {g}_{Na^{+}}={\bar {g}}_{Na^{+}}m^{3}h,}

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

Трансмембранный ответ напряжения пространственно зажатого перехвата Ранвье млекопитающих

По мере того как трансмембранный потенциал растет, значение m увеличивается, тем самым увеличивая вероятность того, что активационные ворота будут открыты. А по мере того как трансмембранный потенциал падает, значение h увеличивается, вместе с вероятностью того, что инактивационные ворота будут открыты. Скорость изменения для h -ворота намного медленнее, чем для m -ворот, поэтому, если предшествовать стимуляции подпорогового напряжения гиперполяризующим предымпульсом , значение h может временно увеличиться, что позволит нейрону запустить потенциал действия.

Наоборот, если предшествовать стимуляции сверхпорогового напряжения деполяризующим предымпульсом, значение h может временно уменьшиться, что позволит затормозить нейрон. Иллюстрация того, как может отличаться реакция трансмембранного напряжения на сверхпороговый стимул в зависимости от наличия деполяризующего предымпульса, может быть представлена ​​на соседнем изображении.

Модель Ходжкина-Хаксли немного неточна, поскольку она упускает некоторые зависимости, например, инактивационные ворота не должны закрываться, если активационные ворота не открыты, а инактивационные ворота, будучи закрытыми, находятся внутри клеточной мембраны , где на них не может напрямую влиять трансмембранный потенциал. [5] Однако эта модель полезна для получения высокого уровня понимания гиперполяризующих и деполяризующих предымпульсов. Деполяризующие нейроны создают более вероятный результат нейронной активации.

Потенциал-управляемый натриевый канал

Схема α-субъединицы потенциалочувствительного натриевого канала. G - гликозилирование , P - фосфорилирование , S - ионная селективность, I - инактивация, положительные (+) заряды в S4 важны для трансмембранного определения потенциала.

С тех пор как модель Ходжкина-Хаксли была впервые предложена в 1950-х годах, было многое изучено относительно структуры и функциональности потенциалзависимых натриевых каналов . Хотя точная трехмерная структура натриевого канала остается неизвестной, его состав и функциональность отдельных компонентов были определены. Потенциалзависимые 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. Субъединица α сворачивается в четыре гомологичных домена, каждый из которых содержит шесть трансмембранных сегментов α- спирали . [6] Сегменты S 4 каждого домена служат датчиками напряжения для активации. Каждый сегмент S 4 состоит из повторяющейся структуры одного положительно заряженного остатка и двух гидрофобных остатков, и они объединяются, образуя спиральную структуру. Когда канал деполяризуется, эти сегменты S 4 претерпевают конформационные изменения, которые расширяют спиральную структуру и открывают пору натриевого канала . 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 предварительный импульс перед стимулом, существует большая вероятность того, что инактивирующие домены натриевых каналов связались со своими соответствующими порами, уменьшая вызванный стимулом приток натрия и влияние стимула.

Деполяризующие свойства предымпульса

Продолжительность ДПП

Связь между длительностью DPP и рекрутированием нейронов следующая. Если длительность DPP относительно коротка, т.е. намного меньше 100 мкс, то порог возбуждения для окружающих нервов будет снижен, а не повышен. Возможно, это происходит из-за деполяризации сегментов S 4 и малого времени, отведенного на инактивацию. Для длительных DPP домены III и IV натриевых каналов (обсуждаемые выше) получают больше времени для связывания с соответствующими им порами канала, поэтому пороговый ток, как наблюдается, увеличивается с увеличением длительности DPP. [2]

амплитуда ДПП

По мере того, как амплитуда DPP увеличивается от нуля до почти порогового значения, результирующее увеличение порогового тока также будет расти. [2] [8] Это происходит потому, что более высокая амплитуда активирует больше натриевых каналов, тем самым позволяя большему количеству каналов инактивироваться их доменами III и IV.

DPP межфазная задержка

Увеличение задержки между DPP и стимулом обеспечивает больше времени, в течение которого сегменты натриевого канала S 4 могут закрыться, а домены III и IV могут отсоединиться от своих соответствующих пор. Таким образом, увеличение межфазной задержки DPP уменьшит эффективное увеличение порогового тока, вызванное DPP. [2]

Деполяризующие предимпульсные приложения

Повышение болевого порога

Одно из непосредственных применений деполяризующих преимпульсов, исследованное докторами Полетто и Ван Дореном, заключается в повышении болевых порогов, связанных с электрокожной стимуляцией. [3] Электрокожная стимуляция обладает большим потенциалом как механизм передачи дополнительной сенсорной информации. Следовательно, этот метод стимуляции может быть напрямую применен в таких областях, как виртуальная реальность , сенсорная замена и сенсорное усиление. Однако многие из этих применений требуют использования небольших электродных решеток , стимуляция через которые часто болезненна, что ограничивает полезность этой технологии. Экспериментальная установка, созданная докторами Полетто и Ван Дореном, была следующей:

Средние пропорции стимулов, воспринимаемых как болевые, по сравнению с преимпульсными стимулами
  • 4 человека, каждый из которых продемонстрировал способность давать надежные оценки боли в предыдущих исследованиях
  • Средний палец левой руки лежит на полированном диске из нержавеющей стали диаметром 1 мм .
  • один стимул состоял из серии из трех идентичных пар преимпульсов и стимулов, предъявляемых в начале, середине и конце интервала длительностью 1 секунда
  • ширина предымпульса и импульса стимуляции была согласована по длительности 10 миллисекунд, так что пороги были одинаковыми для обоих
  • использовали различные амплитуды предымпульса 0%, 79%, 63%, 50%, 40% и 32%, чтобы изучить их влияние на испытываемую боль
  • эксперименты проводились таким образом, что стимул без преимпульса был болезненным примерно в половине случаев; это достигалось путем постепенного увеличения и уменьшения амплитуды стимулирующего импульса для следующего испытания, в зависимости от того, было ли оно выражено как болезненное

Их результаты продемонстрировали, что предварительный импульс перед стимулирующим импульсом эффективно снижает вероятность того, что боль будет ощущаться из-за электрокожной стимуляции. Достаточно удивительно, что предварительный импульс в 32% от амплитуды стимулирующего импульса смог почти вдвое снизить вероятность ощущения боли. Поэтому в средах, в которых болевой порог трудно различить, может быть достаточно подать предварительный импульс относительно низкой амплитуды перед стимулом, чтобы достичь желаемого эффекта.

Порядок рекрутирования нервных волокон

На основании данных, представленных в [2]

В дополнение к подавлению нейронной возбудимости, было замечено, что предварительный электрический стимул с деполяризующим предымпульсом позволяет инвертировать зависимость тока от расстояния, контролирующую набор нервных волокон , где зависимость тока от расстояния описывает, как пороговый ток для возбуждения нервного волокна пропорционален квадрату расстояния между нервным волокном и электродом. [2] Следовательно, если область влияния деполяризующего предымпульса меньше, чем у стимула, нервные волокна, расположенные ближе к электроду, будут испытывать большее увеличение своего порогового тока для возбуждения. Таким образом, при наличии такого стимула нервные волокна, расположенные ближе к электроду, могут быть подавлены, в то время как те, что дальше, могут быть возбуждены. [2] [9] Моделирование этой стимуляции, созданное докторами Уорреном Гриллом и Дж. Томасом Мортимером, можно наблюдать на соседнем изображении. Исходя из этого, стимул с двумя деполяризующими преимпульсами, каждый из которых имеет амплитуду немного ниже порогового тока (на момент подачи), должен увеличивать радиусы влияния для инактивации близлежащих нервных волокон и возбуждения отдаленных нервных волокон.

Обычно нервные волокна большего диаметра могут быть активированы одиночными импульсными стимулами меньшей интенсивности и, таким образом, могут быть рекрутированы более легко. [1] [2] [10] Однако DPP продемонстрировали дополнительную способность инвертировать этот порядок рекрутирования. Поскольку электрические стимулы оказывают большее влияние на нервные волокна большего диаметра, DPP, в свою очередь, вызовут большую степень инактивации натриевой проводимости в таких нервных волокнах, таким образом, нервные волокна меньшего диаметра будут иметь более низкий пороговый ток.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Grill WM, Mortimer JT (1995). «Формы волн стимула для селективной нейронной стимуляции». Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology . 14 (4): 375–385. doi :10.1109/51.395310.
  2. ^ abcdefgh Grill WM, Mortimer JT (1997). «Инверсия зависимости тока от расстояния с помощью кратковременной деполяризации». IEEE Transactions on Biomedical Engineering . 44 (1): 1–9. doi :10.1109/10.553708. PMID  9214779. S2CID  7149611.
  3. ^ ab Poletto CJ, Van Doren CL (2002). «Повышение болевых порогов у людей с помощью деполяризующих предварительных импульсов». Труды IEEE по биомедицинской инженерии . 49 (10): 1221–1224. doi :10.1109/TBME.2002.803563. PMID  12374350. S2CID  1817833.
  4. ^ Hodgkin AL, Huxley AF (1952). «Количественное описание ионных токов и его применение к проводимости и возбуждению в нервных мембранах». Журнал физиологии . 117 (4): 500–544. doi :10.1113/jphysiol.1952.sp004764. PMC 1392413. PMID  12991237 . 
  5. ^ Даян, Питер; Эбботт, Ларри (2001). Теоретическая нейронаука . Кембридж, Массачусетс: The MIT Press. ISBN 0-262-04199-5.
  6. ^ Catterall WA (2000). «От ионных токов к молекулярным механизмам: структура и функция потенциалзависимых натриевых каналов». Neuron . 26 (1): 13–25. doi : 10.1016/S0896-6273(00)81133-2 . ​​PMID  10798388.
  7. ^ Yu FH, Catterall WA (2003). "Обзор семейства потенциалзависимых натриевых каналов". Genome Biology . 4 (3): 207. doi : 10.1186/gb-2003-4-3-207 . PMC 153452. PMID  12620097 . 
  8. ^ Vuckovic A, Tosato M, Struijk JJ (2008). «Сравнительное исследование трех методов селективной по диаметру активации волокон в блуждающем нерве: анодный блок, деполяризующие предымпульсы и медленно нарастающие импульсы». Journal of Neural Engineering . 5 (3): 275–286. Bibcode :2008JNEng...5..275V. doi :10.1088/1741-2560/5/3/002. PMID  18566504. S2CID  7250314.
  9. ^ Deurloo KE, Holsheimer J, Bergveld P (2001). «Влияние подпороговых предварительных импульсов на порядок рекрутирования в нервном стволе, проанализированное в простой и реалистичной модели объемного проводника» (PDF) . Biological Cybernetics . 85 (4): 281–291. doi :10.1007/s004220100253. PMID  11592625. S2CID  8098294.
  10. ^ Хеннингс К, Камавуако ЕН, Фарина Д (2007). «Порядок рекрутирования электрически активированных двигательных нейронов, исследованный с помощью новой техники столкновения». Клиническая нейрофизиология . 118 (2): 283–291. doi :10.1016/j.clinph.2006.10.017. PMID  17174598. S2CID  25968304.
  • Модель Ходжкина-Хаксли
  • Модель «Шар и цепь»
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Деполяризующий_предымпульс&oldid=1222748038"