關於此實驗
每一個念頭和每一次心跳都仰賴動作電位：這種短暫的電壓尖峰會沿著神經細胞和肌肉細胞迅速傳播。靜止時，神經元內部的電位比外部約低65 mV。微弱的刺激幾乎不會引起任何變化，但電壓一旦超過閾值，鈉離子通道便會迅速打開，鈉離子湧入，使細胞內側的電位在一毫秒內轉為正值，隨後鉀離子通道將其恢復。刺激霍奇金和赫胥黎研究過的烏賊巨軸突，找出閾值、測試不應期，並用毒素阻斷離子通道。
學習目標
- 描述靜止電位，以及動作電位期間電壓的變化
- 結合鈉離子通道和鉀離子通道，解釋去極化和再極化
- 解釋動作電位的「全有或全無」特性以及閾值的概念
- 解釋不應期，以及它為何會使神經衝動只能朝一個方向傳播
- 預測阻斷離子通道的藥物和毒素會產生什麼影響
使用方法
- 1先按「低於閾值」，再按「略高於閾值」。比較兩條波形。是否有振幅只有一半的動作電位？
- 2將刺激電流從 8 增加到 30 µA/cm²。動作電位會變大嗎？
- 3將下方圖表切換為「電導」。鈉通道和鉀通道哪個先開啟？哪個先關閉？
- 4按下「快速連續刺激兩次」。為什麼第二次刺激不會引發動作電位？逐漸延長兩次刺激之間的間隔，直到出現動作電位。
- 5逐步阻斷鈉通道。到哪一步時動作電位會停止產生？
- 6改為阻斷鉀通道。動作電位的形狀會如何改變？
模型
假設
- 溫度為 6.3 °C 的魷魚巨軸突膜小片段；將 1952 年原始速率方程式進行平移，使靜止電位為 -65 mV。
- E_Na = +50 mV，E_K = -77 mV。在幾個動作電位產生期間，離子濃度不會改變。
- 使用步長為0.01 ms的四階龍格－庫塔法求解方程式。膜片是均勻的，因此在這裡，衝動不會沿著軸突傳播。
- 阻斷一定比例的通道，會使最大電導按相同比例降低，TTX和TEA的作用就是如此。
在課堂上試試這個實驗
- Q1解釋為什麼在動作電位達到峰值時，膜內側會變為正電。
- Q2為什麼峰值永遠不會高於E_Na？
- Q3為什麼更強的刺激不會產生更大的動作電位？神經系統又如何對更強的刺激進行編碼？
- Q4在絕對不應期內，任何刺激都無法觸發新的動作電位。是哪個閘門負責這一點？
- Q5河豚含有河豚毒素（TTX）。解釋為什麼食用烹調不當的河豚會導致人停止呼吸。
常見問題
m、h和n分別代表什麼？
它們表示處於開啟狀態的閘門比例。m 是鈉離子通道的快速活化閘門，h 是較慢的失活閘門，n 是鉀離子通道的活化閘門。只有當三個 m 閘門都開啟，且 h 閘門沒有關閉時，鈉離子通道才會導電。
為什麼是魷魚？
魷魚的巨大軸突直徑可達 1 毫米，粗到霍奇金和赫胥黎在 20 世紀 40 年代能把一條導線插入其中。他們的測量成果為他們贏得了 1963 年諾貝爾獎，而他們提出的方程至今仍是神經科學的基礎。
為什麼尖峰之後電壓會降到靜止電位以下？
鉀離子通道關閉得很慢，因此在幾毫秒內，開啟的鉀離子通道比靜止時更多。電壓會被拉向 E_K，而 E_K 比靜止電位更負。這種下衝稱為過極化。