regulation of membrane potential, bioelectric potential difference
מזהים
קוד MeSH
G04.580.100
מזהה MeSH
D000200
תהליך של פוטנציאל פעולה המתקדם לאורך האקסון של תא עצב
דחף עֲצַבִּי או ספייק הוא אותחשמלי המשמש להולכה של המידע למרחקים בתאים. כינוי אחר לתופעה פיזיולוגית זו הוא פוטנציאל פעולה, כתרגום מהמונח האנגלי Action Potential. פוטנציאל הפעולה מופיע בתאים שיש להם קרום תא הניתן לעירור (אקסיטבילי). פוטנציאל פעולה מתרחש כאשר מתח הקרום של תא ספציפי עולה ממתח המנוחה ויורד בהמשך.[1] עליית המתח (הנקראת גם דה-פולריזציה) גורמת לעליית מתח דומה במיקומים סמוכים וכך להעברת האות לאורך קרום התא. פוטנציאל פעולה מתרחש במספר סוגים של תאים, הנקראים תאים מעוררים (אקסיטטורים). בבעלי חיים, אלו כוללים תאי עצב, תאי שריר, תאים אנדוקריניים כגון תאי בטא של הלבלב ועוד.[2] קיימים גם תאים אקסיטטורים המוליכים פוטנציאל פעולה בצמחים.[3]
פוטנציאל פעולה הוא שינוי מהיר במתח החשמלי שבין פנים התא לסביבתו החיצונית, זאת לעומת מצב של מתח מנוחה.
במצב מנוחה המתח בין שני צדדיו של קרום התא הוא שלילי - פנים התא נושא מטען שלילי יותר לעומת חוץ התא. התהליך של פוטנציאל פעולה מתאפיין ב"קפיצה" מהירה של המתח לערכים חיוביים יותר, המכונה דה־פולריזציה. קפיצה זו מתרחשת ברגע שמתח הממברנה עולה על ערך סף מסוים. לאחר העלייה במתח, מתח הממברנה יורד חזרה כלפי מטה לערכים יותר שליליים.
התופעה של פוטנציאל פעולה נגזרת מתכונותיהן של תעלות יונים ממותגות מתח הנמצאות על פני קרום התא. צורתו ומשכו של פוטנציאל הפעולה, וכן ערך הסף ליצירתו, משתנים בין סוגי תאים שונים ואף בין חלקים שונים של אותו התא, וזאת בשל הבדלים בכמויות ובסוגים של תעלות היונים המפוזרות על פני הממברנה. פוטנציאל הפעולה נחשב יחידת המידע הבסיסית של מערכת העצבים.
באופן טיפוסי, פוטנציאל פעולה בתא עצב מסוים נוצר בעקבות הקלט שהוא מקבל מתאי עצב אחרים, דרך סינפסהכימית או חשמלית.
במקרה של סינפסה כימית, קלט זה מתבטא במוליך עצבי שמופרש מהתא הקדם־סינפטי ונקשר לקולטן על גבי דנדריט של תא העצב הבתר־סינפטי. פעילות הקולטן גוררת שינוי במתח קרום התא באזור הדנדריט. מצב זה מכונה פוטנציאל בתר־סינפטי. כאשר השינוי במתח מקרב אותו לערך הסף ליצירת פוטנציאל פעולה (כלומר, מביא אותו לערך יותר חיובי), זהו פוטנציאל בתר־סינפטי מעורר. לעומת זאת, כאשר הפעילות מקבעת את המתח על ערך שלילי, כלומר מקטינה את ההסתברות ליצירת פוטנציאל פעולה, נוצר בדנדריט פוטנציאל בתר־סינפטי מעכב.
הפוטנציאלים הבתר־סינפטיים שנוצרו בדנדריט מתפשטים בתוך הנוזל התוך־תאי. בסמוך לאזור בתא המכונה תלולית האקסון, מתבצעת סכימה של הפוטנציאלים החשמליים (מעוררים ומעכבים) שהגיעו מהדנדריטים השונים של אותו התא. אם סכום המתח הוא גבוה מערך הסף ליצירת פוטנציאל פעולה, ייווצר פוטנציאל פעולה בתחילת האקסון. במצב זה נהוג לומר כי תא העצב "יורה" פוטנציאל פעולה. כאשר נוצרים באקסון מספר פוטנציאלי פעולה זה אחר זה, ניתן לדבר על "קצב הירי" של הנוירון.
בתהליך הסכימה שמתבצע בתלולית האקסון, תא העצב מסכם את האותות החשמליים שהוא מקבל במרחב ובזמן. ראשית, ישנו חיבור של אותות מעוררים ומעכבים שהתקבלו באותו הזמן דרך מספר סינפסות שונות (סכימה במרחב). בנוסף, כאשר נוצרים פוטנציאלים בתר־סינפטיים במרווחי זמן קצרים זה אחר זה, הם יכולים להסתכם לכדי אות חשמלי מאוחד המשקף את העוצמה המשוקללת שלהם.
כאמור, פוטנציאל פעולה ייווצר רק אם המתח ברגע נתון הוא גבוה מערך הסף של התא. לעומת זאת, אם המתח הוא נמוך מערך הסף, האות החשמלי ידעך במהירות ולא יועבר הלאה בשרשרת ההולכה העצבית. מרגע שהמתח עובר את ערך הסף, עוצמתו ומשכו של כל פוטנציאל הפעולה הם לרוב בגדלים קבועים, אשר תלויים אך ורק במאפיינים של קרום התא. במילים אחרות, גם אם עוצמת הקלט תוגבר, פוטנציאל הפעולה לא ישתנה. בשל כך, נהוג להתייחס לדחף העצבי כאות בינארי של "הכל או לא כלום", שבו המידע היחיד שמועבר ברגע נתון הוא אם קיים פוטנציאל פעולה או לא. עם זאת, קביעה זו אינה מתקיימת בכל המקרים.[4]
פירוט התהליך האלקטרופיזיולוגי
תרשים סכמטי של השינויים במתח עפנ"י קרום התא המרכיבים את הדחף העצבי.
יצירת הדחף העצבי תלויה בתעלות יונים עצביות. תעלות אלו הן מבנים חלבוניים הממוקמים בקרום התא ומאפשרים, כאשר הם נפתחים, תנועה של יונים דרך הקרום. חלק מהתעלות נפתחות או נסגרות (באמצעות "שערים") בתלות בגודלו של המתח החשמלי על פני קרום התא, ונקראות בהתאם תעלות יונים ממותגות מתח (Voltage-gated ion channels). חלק מהתעלות הן בררניות - תעלה בררנית מוליכה יונים מסוג מסוים (אשלגן, נתרן או סידן) ביעילות רבה עד כדי ארבעה סדרי גודל לעומת יונים אחרים. הפתיחה היא מהירה והסגירה איטית. הדחף העצבי נוצר על ידי שני סוגים עיקריים של תעלות יונים ממותגות מתח - תעלות נתרן ותעלות אשלגן. במצב מנוחה נשמר ריכוז תוך־תאי גבוה של יוני אשלגן וריכוז חוץ־תאי גבוה של יוני נתרן וכלור. אלה שקולים לפי משוואת נרנסט להפרשי פוטנציאלים חשמליים, המקנים לתא פוטנציאל חשמלי שלילי של כ־70- מיליוולט ביחס לתמיסה החוץ־תאית. הקטנת הפרש הפוטנציאלים על פני הקרום מביאה לפתיחת תעלות נתרן. כאשר המתח החשמלי על פני קרום התא מגיע לערך סף מסוים, נפתחות התעלות הבררניות לנתרן וזרם של יוני נתרן חיוביים מפעפע לתוך התא שכן ריכוז יון זה גבוה בהרבה מחוץ לתא. תהליך זה הוא תהליך משוב חיובי, שכן כניסה של יוני נתרן לתוך התא רק תגביר את השינוי החיובי במתח ותעלות נוספות יפתחו. כך משתנה המתח ממתח המנוחה (כ־70- מיליוולט בתאי עצב מסוימים) לערך רגעי גבוה - כ־30+ מיליוולט, זהו בערך "מתח שיווי המשקל" של הנתרן. שלב זה נקרא 'נסיקה'. כאשר המתח בתוך התא הופך לפחות שלילי (או חיובי) תהליך זה מכונה דפולריזציה וכאשר המתח הופך שלילי יותר (פחות חיובי) תהליך זה מכונה היפר־פולריזציה. בה בעת, תעלות אשלגן נפתחות לאט יותר ומאפשרות ליוני אשלגן לפעפע מהתא החוצה. ליוני אשלגן מטען חיובי, כך שיציאתם מהתא מקטינה את הפוטנציאל החשמלי שלו ביחס לתמיסה החוץ־תאית, וכך מתחיל המתח לחזור למצב מנוחה. בינתיים נסגרות תעלות הנתרן ועוברות למצב אבטול (אינאקטיבציה) ויוני נתרן טעונים חיובית מפסיקים להיכנס לתוך התא. התא עובר רה־פולריזציה והמתח החשמלי על פני הקרום צונח לכ־90- מיליוולט ותעלות האשלגן נסגרות אף הן.
במצב זה לא ניתן לעורר דחף עצבי חדש למשך כמה מאות מילישניות, בין היתר מכיוון שתעלות הנתרן נמצאות במצב אבטול. פרק זמן זה, המכונה תקופת אי־הענות (אֶתנָח) או התקופה הרפרקטורית, אחראי על כך שהדחף העצבי מתקדם לכיוון יחיד לאורך הסיב העצבי ולא לשני הכיוונים. ריכוזי היונים נשמרים במצבם ההתחלתי הודות לפעולת משאבות נתרן־אשלגן (Na+/K+-ATPase). בתום מצב האבטול ניתן לעורר דחף עצבי נוסף.
(הדחף העצבי מכונה גם ירייה (firing) בגלל שתחת מגבר קולי קול פוטנציאל הפעולה נשמע כירי.)
הולכת הדחף העצבי באקסון
ההולכה באקסון מתפשטת מגוף תא העצב לאורך האקסון וגורמת דפולריזציה על־סיפית בקטע האקסון הסמוך לו. הדפולריזציה מביאה לפתיחת תעלות נתרן תלויות מתח ולהתפרצות פוטנציאל פעולה באותו קטע. מאחר שיש תעלות נתרן לכל אורכו של קרום האקסון, פוטנציאל הפעולה מתפרץ מחדש בצורה אקטיבית בכל נקודה ונקודה על פני האקסון ברצף. פוטנציאל הפעולה מתקדם לעבר הכפתורים הסופיים בקצב קבוע ואיטי יחסית.
באקסון בעל מעטפת מיאלין, פוטנציאל הפעולה מתפשט בצורה אחרת. באקסונים אלו, לרוב העצב יש מעטה מיאלין, אבל יש אזורים (שמופיעים לסירוגין לאורך העצב - כל 1–2 מ"מ) שנקראים מרווחי ראנוויה, שם אין מעטה מיאלין. מעטפת המיאלין המבודדת לא מאפשרת היווצרות פוטנציאל פעולה; באזורים אלו ההולכה של פוטנציאל הפעולה היא פאסיבית - זרימת זרם בין האזור האקטיבי לאזור שעדיין לא אקטיבי. הולכה זו במקטעים העטופים היא מהירה אך דועכת בהדרגה. במרווחי ראנוויה יש צפיפות גבוהה של תעלות נתרן תלויות מתח. כשגל הדפולריזציה הפאסיבית מגיע ממעלה העצב למרווח ראנוויה, נוצר זרם של דפולריזציה על ידי יוני הנתרן שנכנסים דרך תעלות הנתרן תלויות המתח, וכך נבנה מחדש פוטנציאל הפעולה. לכן, פוטנציאל הפעולה מתקדם בקפיצות בין מרווח ראנוויה אחד לזה שאחריו, תהליך שנקרא Saltatory conduction, ואילו בין המרווחים ההולכה היא פאסיבית.
ההולכה בקפיצות שבאקסון העטוף מהירה יותר מן ההולכה האקטיבית באזור החשוף, בגלל מהירותה של ההולכה הפאסיבית. ההולכה בקפיצות היא גם חסכונית יותר מן ההולכה האקטיבית משום שהיא לא צריכה השקעת אנרגיה להפעלת משאבות הנתרן והאשלגן באותם מקטעים עטופי מיאלין.
עצבים בעלי מעטפת מיאלין נמצאים בעיקר בבעלי חוליות; אבל מנגנון דומה נמצא בכמה חסרי חוליות, כגון סוגי חסילונים. לא כל העצבים של בעלי חוליות הם בעלי מעטפת מיאלין; בדרך כלל לעצבים של מערכת העצבים האוטונומית אין מעטפת מיאלין.
מנגנון הפעולה של לידוקאין מבוסס על חסימת תעלות נתרן והורדת קצב התכווצות שריר הלב.
ירי ספונטני
בניגוד למצב הרגיל, שבו פוטנציאל הפעולה שנוצר בתא הוא תוצאה של קלט שהגיע מתא אחר, ישנם גם מקרים שבהם פוטנציאלי פעולה נוצרים באופן ספונטני. כלומר, בתאים מסוימים המאפיינים של קרום התא (סוגי תעלות היונים והמשאבות, מספרן וכו') גורמים לכך שייווצר בתא הזה פוטנציאל פעולה אחד לפרק זמן מסוים, גם אם לא קיבל גירוי מתאים אחרים. עם זאת, גם בתא שכזה דפוס הירי מושפע מהקלט שהתא מקבל, אשר עשוי לגרום לשינוי קצב הירי או לדיכוי דפוסי הירי הספונטניים. אוכלוסיות של תאי עצב אשר יורות דחפים עצביים באופן ספונטני ממלאות תפקיד חשוב ברשתות עצביות מסוימות במערכת העצבים.
לתופעה זו יש חשיבות רבה גם בתאי שריר. דוגמה ידועה היא תאי הקוצב (pacemaker cells) בשריר הלב, אשר יורים באופן ספונטני פוטנציאלי פעולה בקצב מסוים. הירי הספונטני של תאי הקוצב מווסת על ידי מערכת העצבים האוטונומית, וקצב הירי הסופי של תאים אלה הוא זה שקובע את קצב הלב.
פתולוגיות
באפילפסיה יכולת הירי של הנוירונים האקסיטטוריים משתנה. מצב זה עשוי להתרחש עקב שינויים בתעלות יונים או בנוירונים אינהיבטוריים אשר לא מתפקדים כראוי.[5][6]
^Sasaki T, Matsuki N and Ikegaya Y (2011). "Action-Potential Modulation During Axonal Conduction". Science. 331 (6017): 599–601. doi:10.1126/science.1197598.
