Quá trình của điện thế hoạt động có thể được chia thành năm phần: pha mất phân cực, pha cực đại (đảo cực), pha tái phân cực, pha ưu phân cực và pha trơ. Trong pha mất phân cực, điện thế màng khử cực (trở nên dương điện hơn). Điểm dừng khử cực được gọi là pha cực đại. Ở pha này, điện thế màng đạt đến mức tối đa. Sau đó, có một pha tái phân cực xuống. Trong pha này, điện thế màng trở nên tiêu cực hơn, trở lại điện thế nghỉ. pha dưới, hay sau quá trình phân cực, là pha mà điện thế màng tạm thời trở nên tích điện âm hơn so với khi nghỉ (tăng phân cực). Cuối cùng, thời gian mà điện thế hoạt động tiếp theo là không thể hoặc khó phóng được gọi là thời kỳ trơ, có thể trùng lặp với các pha khác.[22]

Quá trình của điện thế hoạt động được xác định bởi hai hiệu ứng kết hợp.[23] Đầu tiên, kênh ion nhạy cảm với điện thế mở và đóng để đáp ứng với những thay đổi trong điện thế màng V m. Điều này thay đổi tính thấm của màng đối với ion đó.[24] Thứ hai, theo phương trình Goldman, sự thay đổi tính thấm này làm thay đổi thế năng cân bằng E m, và do đó, điện thế màng V m.[lower-alpha 8] Do đó, điện thế màng ảnh hưởng đến tính thấm, sau đó ảnh hưởng đến điện thế màng. Điều này thiết lập khả năng cho điều hòa ngược dương tính, là một phần quan trọng trong pha mất phân cực của điện thế hoạt động.[4] [7] Một yếu tố phức tạp là một kênh ion đơn lẻ có thể có nhiều "cổng" bên trong phản ứng với những thay đổi trong V m theo cách ngược lại hoặc ở các tốc độ khác nhau. [31] [lower-alpha 9] Ví dụ, mặc dù tăng V m sẽ mở hầu hết các cổng trong kênh natri nhạy với điện thế, nó cũng đóng "cổng bất hoạt" của kênh, mặc dù chậm hơn. [32] Do đó, khi V m được tăng đột ngột, kênh natri mở ra ban đầu, nhưng sau đó đóng lại do quá trình khử hoạt động chậm hơn.

Điện thế ngưỡng và dòng điện của điện thế hoạt động trong tất cả các pha của nó được mô phỏng chính xác bởi Alan Lloyd Hodgkin và Andrew Huxley vào năm 1952,[lower-alpha 9] mà họ đã được trao giải thưởng Nobel về sinh lý học hoặc y học năm 1963.[lower-greek 2] Tuy nhiên, mô hình của họ chỉ xem xét hai loại kênh ion nhạy với điện thế và đưa ra một số giả định về chúng, ví dụ, các cổng bên trong của chúng mở và đóng độc lập với nhau. Trong thực tế, có nhiều loại kênh ion,[25] và chúng không phải lúc nào cũng mở và đóng độc lập.[lower-alpha 10]

pha kích thích và tăng

Một điện thế hoạt động điển hình bắt đầu từ ngọn đồi sợi trục [26] với sự khử cực đủ mạnh, ví dụ, một kích thích làm tăng V m. Sự khử cực này thường được gây ra bởi việc tiêm thêm cation natri vào tế bào; những cation này có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như synapse hóa học, neuron cảm giác hoặc điện thế tạo nhịp.

Đối với một neuron khi nghỉ, có một nồng độ ion natri và clorua cao trong dịch ngoại bào so với dịch nội bào, trong khi có nồng độ ion kali trong dịch nội bào cao so với dịch ngoại bào. Sự khác biệt về nồng độ, khiến ion chuyển từ nồng độ cao sang nồng độ thấp và hiệu ứng tĩnh điện (thu hút các điện tích trái dấu) là nguyên nhân dẫn đến sự di chuyển của ion trong và ngoài neuron. Bên trong neuron có điện tích âm, liên quan đến bên ngoài tế bào, từ sự di chuyển của K + ra khỏi tế bào. Màng neuron dễ thấm K + hơn ion khác, cho phép ion này di chuyển có chọn lọc ra khỏi tế bào, giảm độ dốc nồng độ của nó. Độ dốc nồng độ này cùng với kênh rò rỉ kali có trên màng neuron gây ra dòng ion kali làm cho điện thế nghỉ gần với E K   ≈   Cỗ máy75   mV. [35] Vì ion Na + ở nồng độ cao hơn bên ngoài tế bào, nên sự khác biệt về nồng độ và điện thế sẽ đẩy chúng vào trong tế bào khi kênh Na + mở. Sự khử cực mở ra cả hai kênh natri và kali trong màng, cho phép ion đi vào và ra khỏi sợi trục, tương ứng. Nếu khử cực nhỏ (giả sử, tăng V m từ −70   mV đến −60   mV), dòng kali bên ngoài lấn át dòng natri bên trong và màng tái phân cực trở lại điện thế nghỉ bình thường của nó khoảng −70   mV.[4] [5] [6] Tuy nhiên, nếu quá trình khử cực đủ lớn, dòng natri vào bên trong tăng nhiều hơn so với dòng kali bên ngoài và điều kiện không ổn định (điều hòa ngược dương tính): càng có nhiều dòng vào bên trong, càng có nhiều V m tăng, mà lần lượt tăng thêm dòng vào.[4] [7] Sự khử cực đủ mạnh (tăng V m) làm cho kênh natri nhạy cảm với điện thế mở ra; tính thấm ngày càng tăng đối với natri khiến V m gần với điện thế cân bằng natri E Na ≈ +55   mV. Lần lượt điện thế tăng làm cho kênh natri thậm chí còn mở ra nhiều hơn, điều này đẩy V m vẫn tiếp tục tiến về phía E Na. Điều hòa ngược dương tính này tiếp tục cho đến khi kênh natri được mở hoàn toàn và V m gần với E Na.[4] [5] [36] [27] Độ tăng mạnh của V m và độ thấm natri tương ứng với pha tăng của điện thế hoạt động.[4] [5] [36] [27]

Điện thế ngưỡng ngưỡng tới hạn cho điều kiện không ổn định này thường là khoảng −45   mV, nhưng nó phụ thuộc vào hoạt động gần đây của sợi trục. Một tế bào vừa phóng ra điện thế hoạt động không thể phóng ra tế bào khác ngay lập tức, vì kênh Na + chưa được phục hồi từ trạng thái bất hoạt. Khoảng thời gian không có điện thế hoạt động mới có thể bị sa thải được gọi là thời kỳ trơ tuyệt đối.[28] [29] [40] Ở thời gian dài hơn, sau khi một số nhưng không phải tất cả kênh ion đã phục hồi, sợi trục có thể được kích thích để tạo ra điện thế hoạt động khác, nhưng với ngưỡng cao hơn, đòi hỏi khử cực mạnh hơn nhiều, ví dụ, đến −30   mV. Khoảng thời gian mà các điện thế hoạt động khó gợi lên một cách bất thường được gọi là thời kỳ trơ tương đối.[28] [29] [40]

Pha đỉnh

Điều hòa ngược dương tính của pha tăng trở nên chậm và dừng lại khi kênh ion natri trở nên mở tối đa. Ở cực đại của điện thế hoạt động, độ thấm natri được tối đa hóa và điện thế màng V m gần bằng điện thế cân bằng natri E Na. Tuy nhiên, điện thế tăng tương tự đã mở kênh natri ban đầu cũng từ từ tắt chúng, bằng cách đóng lỗ chân lông của chúng; kênh natri trở nên bất hoạt. [32] Điều này làm giảm tính thấm của màng so với natri so với kali, đẩy điện thế màng trở lại giá trị nghỉ. Đồng thời, điện thế tăng sẽ mở kênh kali nhạy cảm với điện thế; sự gia tăng tính thấm kali của màng dẫn động V m về phía E K. [32] Kết hợp lại, những thay đổi về tính thấm natri và kali làm cho V m giảm xuống nhanh chóng, tái phân cực màng và tạo ra "pha rơi" của điện thế hoạt động.[28] [30] [27] [42]

Quá trình tái phân cực

Điện thế ngưỡng khử cực mở ra kênh kali phụ thuộc vào điện thế bổ sung, và một số trong số này không đóng lại ngay khi màng trở về điện thế nghỉ bình thường. Ngoài ra, kênh kali tiếp tục mở để đáp ứng với dòng ion calci trong quá trình hoạt động. Nồng độ nội bào của ion kali thấp thoáng qua một cách bất thường, làm cho điện thế màng V m thậm chí gần với điện thế cân bằng kali E K. Điện thế màng đi dưới điện thế màng nghỉ. Do đó, có một quá trình khử cực hoặc tăng phân cực, được gọi là quá trình phân cực hóa, tồn tại cho đến khi tính thấm kali màng trở về giá trị thông thường, khôi phục điện thế màng về trạng thái nghỉ.[31] [30]

Thời kỳ trơ

Mỗi điện thế hoạt động được theo sau bởi một pha trơ, có thể được chia thành một pha trơ tuyệt đối, trong đó không thể gợi lên điện thế hoạt động khác, và sau đó là một pha trơ tương đối, trong đó cần phải có một kích thích mạnh hơn bình thường.[28] [29] [40] Hai thời kỳ trơ này là do sự thay đổi trạng thái của các phân tử kênh natri và kali. Khi đóng cửa sau điện thế hoạt động, kênh natri đi vào trạng thái "bất hoạt", trong đó chúng không thể được thực hiện để mở bất kể điện thế màng tế bào này sẽ dẫn đến thời kỳ trơ tuyệt đối. Ngay cả sau khi đủ số lượng kênh natri đã trở lại trạng thái nghỉ, vẫn thường xảy ra tình trạng một phần kênh kali vẫn mở, gây khó khăn cho màng tế bào khử cực, và do đó làm tăng thời gian trơ tương đối. Do mật độ và phân nhóm của kênh kali có thể khác nhau rất lớn giữa các loại neuron khác nhau, thời gian của pha trơ tương đối rất khác nhau.

Thời kỳ trơ tuyệt đối chịu trách nhiệm phần lớn cho sự lan truyền một chiều của các điện thế hoạt động dọc theo sợi trục.[32] Tại bất kỳ thời điểm nào, các bản vá của sợi trục phía sau phần đỉnh cực là pha tr, nhưng các miếng vá ở phía trước, không có được kích hoạt thời gian gần đây, có khả năng được kích thích bởi sự khử cực từ điện thế hoạt động.