Điện thế hoạt động là kết quả của sự hiện diện trong màng tế bào của các loại kênh ion điện thế.[3] Kênh ion bị kiểm soát điện thế là một nhóm các protein được xuyên trong màng có ba thuộc tính chính:

1. Nó có khả năng giả định nhiều hơn một hình dạng.
2. Ít nhất một trong những sự phù hợp tạo ra một kênh thông qua màng có thể thấm qua các loại ion cụ thể.
3. Sự chuyển đổi giữa sự phù hợp bị ảnh hưởng bởi điện thế màng.

Do đó, một kênh ion điện thế có xu hướng mở/đóng tại một giá trị nào đó của điện thế màng. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, mối quan hệ giữa điện thế màng và sự đóng/mở kênh mang tính xác suất và liên quan đến thời gian trễ. Các kênh ion có thể mở/đóng tại thời điểm không thể đoán trước, như vậy Điện thế màng xác định mức độ và xác suất đóng/mở trên mỗi đơn vị thời gian của từng loại kênh.

Truyền điện thế hoạt động dọc theo sợi trục

Kênh ion điện thế có khả năng tạo ra điện thế hoạt động vì chúng tạo ra các vòng điều hòa ngược dương tính: Điện thế màng kiểm soát trạng thái của kênh ion, nhưng trạng thái của kênh ion cũng kiểm soát ngược lại điện thế màng. Do đó, trong một số tình huống, sự gia tăng điện thế màng có thể khiến kênh ion mở ra, khi kênh ion mở điện thế màng lại tăng lên cao hơn nữa. Điện thế hoạt động xảy ra khi chu kỳ điều hòa ngược dương tính này (chu kỳ Hodgkin) bắt đầu bùng nổ. Quỹ đạo thời gian và biên độ của điện thế hoạt động được xác định bởi các tính chất sinh lý của kênh ion điện thế tạo ra nó. Một số loại kênh có khả năng tạo ra điều hòa ngược dương tính, tiền đề để điện thế hoạt động tồn tại. Kênh natri điện thế chịu trách nhiệm cho điện thế hoạt động với tốc độ nhanh liên quan đến dẫn truyền thần kinh. Điện thế hoạt động chậm cơ ở tế bào cơ và một số loại neuron có kênh calci điện thế. Mỗi loại này có nhiều biến thể, với độ nhạy điện thế khác nhau và động lực học thời gian khác nhau.

Loại kênh ion phụ thuộc vào điện thế được nghiên cứu nhiều nhất là kênh natri có khả năng dẫn truyền thần kinh với tốc độ nhanh. Loại kênh này còn có tên là kênh natri Hodgkin-Huxley vì Alan Hodgkin và Andrew Huxley là hai nhà sinh lý học đầu tiên nghiên cứu điện thế hoạt động (giành giải thưởng Nobel Sinh lý học), hoặc gọi tắt kênh NaV. (Chữ "V" là viết tắt của "điện thế".) Một kênh NaV có ba trạng thái: vô hiệu hóa, kích hoạt và bất hoạt. Kênh chỉ tăng tính thấm cho ion natri khi ở trạng thái kích hoạt. Khi điện thế màng thấp, phần lớn thời gian kênh ở trạng thái vô hiệu hóa (đóng). Nếu điện thế màng cao lên trên một mức nhất định, xác suất các kênh sẽ chuyển sang trạng thái kích hoạt (mở). Điện thế màng càng cao thì xác suất kích hoạt càng lớn. Khi một kênh đã được kích hoạt, cuối cùng nó sẽ chuyển sang trạng thái bất hoạt (đóng). Sau đó, nó có xu hướng bị bất hoạt trong một thời gian, nhưng, nếu điện thế màng trở lại thấp, kênh cuối cùng sẽ chuyển trở lại trạng thái bất hoạt. Trong điện thế hoạt động, hầu hết kênh thuộc loại này trải qua chu kỳ vô hiệu hóa → kích hoạt → bất hoạt → vô hiệu hóa. Đây chỉ là chu kỳ thông thường - về cơ bản, một kênh riêng lẻ có thể thực hiện bất kỳ chuyển đổi nào. Tuy nhiên, xác suất để kênh chuyển trực tiếp từ trạng thái bất hoạt sang trạng thái kích hoạt là rất thấp: Một kênh ở trạng thái bất hoạt sỡ có giai đoạn trơ cho đến khi chuyển trở lại trạng thái vô hiệu hóa.

Kết quả của tất cả chu trình này là động học kênh NaV bị chi phối bởi một ma trận chuyển tiếp có tốc độ phụ thuộc vào điện thế theo mối liên hệ phức tạp. Vì chính kênh này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điện thế, nên nắm bắt hệ động lực khá khó. Hodgkin và Huxley đã tiếp cận vấn đề bằng cách phát triển một hệ phương trình vi phân với các tham số chi phối các trạng thái kênh ion, được gọi là phương trình Hodgkin-Huxley. Mặc dù thông số của hệ phương trình này được các nghiên cứu sau này sửa đổi phần lớn, nhưng đây là tiền đề cho hầu hết các nghiên cứu lý thuyết về lý sinh điện thế hoạt động.

Chuyển động ion trong điện thế hoạt động.



Chú thích: a) Ion natri (Na+). b) Ion kali (K+). c) Kênh natri. d) Kênh kali. e) Bơm natri-kali.



Trong các pha của điện thế hoạt động, tính thấm của màng neuron thay đổi. Ở trạng thái nghỉ (1), ion natri và kali có khả năng hạn chế đi qua màng và neuron có điện tích âm bên trong. Khi điện thế hoạt động được kích hoạt, quá trình khử cực (2) của neuron sẽ kích hoạt kênh natri, cho phép ion natri đi qua màng tế bào vào tế bào, dẫn đến điện tích dương trong neuron so với dịch ngoại bào. Sau khi đạt đến đỉnh điện thế hoạt động, neuron bắt đầu tái phân cực (3), trong đó kênh natri đóng và kênh kali mở ra, cho phép ion kali đi qua màng vào dịch ngoại bào, đưa điện thế màng trở về giá trị âm. Cuối cùng, có một pha trơ (4), trong đó kênh ion phụ thuộc điện thế bị bất hoạt trong khi ion Na + và K + trở lại phân bố trạng thái nghỉ của chúng trên màng (1), và neuron đã sẵn sàng lặp lại quá trình cho điện thế hoạt động tiếp theo.

Khi điện thế màng tăng lên, kênh ion natri mở ra, cho phép sự xâm nhập của ion natri vào trong tế bào. Tiếp theo là việc mở kênh ion kali cho phép thoát ion kali ra khỏi tế bào. Dòng ion natri đi vào bên trong làm tăng nồng độ của các cation tích điện dương trong tế bào và gây khử cực, trong đó điện thế của tế bào cao hơn điện thế nghỉ. Kênh natri đóng khi điện thế hoạt động đạt đỉnh, trong khi kali tiếp tục ra khỏi tế bào.Ion kali đi ra ngoài làm giảm điện thế màng hoặc gây nên ưu phân cực. Ở mức kích thích đến −70 mV, dòng kali tỏ ra ưu thế hơn dòng natri nên "dập" được kích thích.[4][5][6] Tuy nhiên, nếu điện thế tăng vượt ngưỡng, thường cao hơn 15mV giá trị nghỉ, dòng natri chiếm ưu thế, tạo sự không ổn định dẫn đến điều hòa ngược dương tính: ion natri kích hoạt nhiều kênh natri mở hơn. Do đó, tế bào bùng nổ, tạo ra điện thế hoạt động.[4][7][note 1] Tần số tạo điện thế hoạt động được gọi là tốc độ phóng hoặc tốc độ phóng thần kinh.

Dòng điện được tạo ra bằng cách mở kênh điện thế thường lớn hơn đáng kể so với dòng kích thích ban đầu. Do đó, biên độ, thời gian và hình dạng của điện thế hoạt động được xác định chủ yếu bởi tính chất của màng được kích thích chứ không phải biên độ hoặc thời gian của kích thích. Tính chất "tất cả hoặc không" của điện thế hoạt động chính là sự khác biệt lớn nhất so với điện thế thụ thể, điện thế tại chỗ, dao động điện thế màng dưới ngưỡng và điện thế synap, đây là các loại điện thế có cường độ phụ thuộc kích thích. Các yếu tố chi phối: loại kênh điện thế, kênh rò rỉ, sự phân bố của kênh, nồng độ ion, điện dung màng, nhiệt độ và các yếu tố khác.

Ion chính liên quan đến điện thế hoạt động là cation natri và kali; Ion natri đi vào tế bào và ion kali ra ngoài màng, khôi phục trạng thái cân bằng. Cần một lượng ion tương đối đi qua màng để điện thế màng thay đổi mạnh mẽ. Do đó, các ion trao đổi trong điện thế hoạt động, tạo ra một sự thay đổi không đáng kể về nồng độ ion bên trong và bên ngoài. Cation calci và anion clorua có liên quan đến một số loại điện thế hoạt động, chẳng hạn như điện thế hoạt động của tim và điện thế hoạt động trong tảo Acetabularia đơn bào tương ứng.

Mặc dù điện thế hoạt động được tạo ra cục bộ trên các đoạn trần của màng dễ bị kích thích, dòng điện có thể kích hoạt điện thế hoạt động trên các neuron lân cận, tạo ra sự lan truyền kiểu domino. Trái ngược với sự lan truyền thụ động của điện thế điện điện thế hoạt động được tạo ra một lần nữa dọc theo các đoạn màng dễ bị kích thích và lan truyền mà không bị phân rã.[8] Các phần myelin của sợi trục không dễ bị kích thích và không tạo ra điện thế hoạt động và tín hiệu được truyền đi một cách thụ động như điện thế tại chỗ (electrotonic potential). Eo Ranvier là chỗ bao myelin không bao bọc sợi trục, tạo ra các điện thế hoạt động để tăng tín hiệu. Cách truyền tín hiệu có tên là dẫn truyền nhảy cóc, thuận lợi cho tốc độ tín hiệu và đường kính sợi trục. Nói chung, Sự khử cực của các đầu sợi trục kích hoạt giải phóng chất dẫn truyền thần kinh vào khe hở tiếp hợp. Ngoài ra, điện thế hoạt động lan truyền ngược đã được ghi nhận trong các sợi nhánh của các tế bào chóp, có mặt khắp nơi trong vùng tân vỏ não.[lower-alpha 3]

Trong mô hình điện dung màng Hodgkin–Huxley, tốc độ truyền của điện thế hoạt động không được xác định và người ta cho rằng các khu vực lân cận bị khử cực do nhiễu ion giải phóng với kênh lân cận. Các phép đo khuếch tán ion và bán kính đã cho thấy điều này là không thể. [cần dẫn nguồn] Ngoài ra, giả thuyết hấp phụ của Gilbert Ling, cho rằng điện thế màng và điện thế hoạt động của tế bào sống là do sự hấp phụ của ion di động lên các vị trí hấp phụ của tế bào.[9]

Điện thế hoạt động thay đổi theo lứa tuổi

Sự truyền thông tin liên quan điện thế hoạt động của neuron có sự thay đổi trong quá trình phát triển. Sự thay đổi điện thế màng của neuron (do kết quả của một dòng xung kích thích) liên hệ với điện trở đầu vào của màng. Khi tế bào phát triển, nhiều kênh xuất hiện, làm giảm điện trở đầu vào. Neuron trưởng thành rút ngắn ngắn thời gian có điện thế hoạt động khi đáp ứng với tín hiệu từ synapse. Neuron từ nhân thể gối ngoài (lateral geniculate nucleus) có hằng số thời gian dài hơn và độ lệch điện thế lớn hơn tại P0 so với P30.[10] Hiệu quả của rút ngắn thời gian điện thế hoạt động là bảo toàn tính chính xác của tín hiệu nhằm đáp ứng với kích thích tần số cao.

Trong sự phát triển ban đầu của nhiều sinh vật, điện thế hoạt động được chi phối bởi kênh calci nhiều hơn kênh natri. Động lực học mở/đóng kênh calci chậm hơn so với kênh natri. Thời gian mở kênh calci dài hơn, dẫn đến điện thế hoạt động chậm hơn đáng kể so với neuron trưởng thành.[10] Neuron các loài thuộc chi Cóc có móng lúc còn trẻ có điện thế hoạt động kéo dài 60-90 ms. Trong quá trình phát triển, thời gian này giảm xuống còn 1 ms. Có hai lý do cho sự giảm mạnh này. Thứ nhất, dòng ion vào bên trong chủ yếu qua kênh natri.[11] Thứ hai, kênh kali mở muộn tăng tới 3,5 lần so với mức độ ban đầu.

Để chuyển từ điện thế hoạt động phụ thuộc calci sang điện thế hoạt động phụ thuộc natri thì kênh mới phải được thêm vào màng. Nếu neuron chi Cóc có móng được phát triển trong môi trường có chất ức chế tổng hợp RNA hoặc tổng hợp protein thì quá trình trưởng thành bi đình trệ.[12] Ngay cả hoạt động điện của chính tế bào cũng có thể đóng một vai trò trong biểu hiện kênh. Nếu điện thế hoạt động trong tế bào cơ chi Cóc có móng bị đình trệ, dòng natri và kali sẽ bị trì hoãn.[13]

Điện thế hoạt động thay đổi theo lứa tuổi quan sát thấy ở nhiều loài. Dòng ion natri và kali ở chi Cóc có móng tăng mạnh sau khi neuron qua lần nguyên phân cuối cùng. Mật độ dòng natri của neuron vỏ đại não tăng 600% trong hai tuần đầu sau sinh.[10]