关于此实验
每一个念头和每一次心跳都依赖动作电位：这种短暂的电压尖峰会沿着神经细胞和肌肉细胞迅速传播。静息时，神经元内部的电位比外部约低65 mV。微弱的刺激几乎不会引起任何变化，但电压一旦越过阈值，钠离子通道便会迅速打开，钠离子涌入，使细胞内侧的电位在一毫秒内转为正值，随后钾离子通道将其恢复。刺激霍奇金和赫胥黎研究过的乌贼巨轴突，找出阈值，测试不应期，并用毒素阻断离子通道。
学习目标
- 描述静息电位，以及动作电位期间电压的变化
- 结合钠离子通道和钾离子通道，解释去极化和复极化
- 解释动作电位的“全或无”特性以及阈值的概念
- 解释不应期，以及它为何会使神经冲动只能朝一个方向传播
- 预测阻断离子通道的药物和毒素会产生什么影响
使用方法
- 1先按“低于阈值”，再按“略高于阈值”。比较两条波形。是否存在幅度只有一半的动作电位？
- 2将刺激电流从 8 增加到 30 µA/cm²。动作电位会变大吗？
- 3将下方图表切换为“电导”。钠通道和钾通道哪个先打开？哪个先关闭？
- 4按“快速连续刺激两次”。为什么第二次刺激不会引发动作电位？逐渐延长两次刺激之间的间隔，直到出现动作电位。
- 5逐步阻断钠通道。到哪一步时动作电位会停止产生？
- 6改为阻断钾通道。动作电位的形状会如何变化？
模型
假设
- 温度为 6.3 °C 的鱿鱼巨轴突膜小片段；将 1952 年原始速率方程进行了平移，使静息电位为 -65 mV。
- E_Na = +50 mV，E_K = -77 mV。在几个动作电位产生期间，离子浓度不会改变。
- 使用步长为0.01 ms的四阶龙格-库塔法求解方程。膜片是均匀的，因此在这里，冲动不会沿轴突传播。
- 阻断一定比例的通道，会使最大电导按相同比例降低，TTX和TEA的作用就是如此。
在课堂上试试这个实验
- Q1解释为什么在动作电位达到峰值时，膜内侧会变为正电。
- Q2为什么峰值永远不会高于E_Na？
- Q3为什么更强的刺激不会产生更大的动作电位？神经系统又如何对更强的刺激进行编码？
- Q4在绝对不应期内，任何刺激都无法触发新的动作电位。是哪个门控负责这一点？
- Q5河豚含有河豚毒素（TTX）。解释为什么食用烹调不当的河豚会导致人停止呼吸。
常见问题
m、h和n分别代表什么？
它们表示处于开放状态的门的比例。m 是钠通道的快速激活门，h 是较慢的失活门，n 是钾通道的激活门。只有当三个 m 门都打开且 h 门没有关闭时，钠通道才会导电。
为什么是鱿鱼？
鱿鱼的巨轴突直径可达 1 毫米，粗到霍奇金和赫胥黎在 20 世纪 40 年代能把一根导线插入其中。他们的测量成果为他们赢得了 1963 年诺贝尔奖，而他们提出的方程至今仍是神经科学的基石。
为什么尖峰之后电压会降到静息电位以下？
钾通道关闭得很慢，因此在几毫秒内，开放的钾通道比静息时更多。电压会被拉向 E_K，而 E_K 比静息电位更负。这种下冲称为超极化。