Transcript 의과학과 신경생리학

의과학과 신경생리학 원론
Electrical Signaling of Neurons II
생리학교실 호원경
2012. 3. 16
Action potential is generated when stimulus exceed threshold
AP parameters:
• amplitude
• duration
• threshold
Resting Membrane
Potential (RMP)
Repetitive firing of AP is induced by long stimulus
500 pA for 1 s
300 pA for 1 s
60
60
40
40
20
20
0
mV
mV
0
-20
-20
-40
-40
-60
-60
-80
-80
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
s
1.0
1.2
1.4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
s
1.0
1.2
1.4
Different types of action potentials recorded in excitable cells
Various firing patterns
Tonic firing
Delayed firing Initial bursting
(recorded in deep dorsal horn neurons)
Single spike
Spontaneous firing
3-5. 세포막의 능동적 전기성질 (2) – 활동전압
• 흥분성세포에 단계적으로 전류를 주입하면 처음엔 RC회로에서 예상되는 단계적 반응인electrotonic
potential만 보이다가 저분극 크기가 증가하여 역치(문턱)전압까지 도달하게 되면 피동적전기성질로 설명되지
않는 활동전압 (action potential)이 발생.
• 활동전압은 이온채널 전도도(R)의 급격한 변화를 동반한 세포막전압의 변화이므로 세포막의 능동적
전기성질에 해당된다.
• 역치 바로 이하의 저분극에 의한 반응은 활동전압과는 달리 멀리 전도되지 않으므로 국소반응 (local
response)이라고도 한다.
• 일단 막전압이 역치전압에 도달하면 그 이후 따로 저분극 전류를 흘려주지 않아도 활동전압의 upstroke가
regenerative하게 또는 자동적으로 발생: 지나치기전압(overshoot).
• 역치전압 (threshold potential): 활동전압을
일으키는 경계전압.
• 역치전류 (threshold current): 역치전압에
도달하는데 필요한 전류. 역치전류는 전류를 주기
이전의 세포막 전압과 막저항 등에 의하여
달라짐.
• 지나치기전압(overshoot): Upstroke phase동안
세포막 전압이 0를 넘어 +30～+50 mV까지 이름.
활동전압의 (+)부분은 활동전압의 이온기전
발견에 큰 단서가 되었음.
Figure 26 신경세포자극에 의한 활동전압
3-5-1) 활동전압의 Na 가설
• 현재 밝혀진 흥분성 세포에 대한 연구는 1936년 Young에 의하여 발견된 오징어 거대축삭돌기에서 시작 (그림 30).
• 맨 처음 거대축삭돌기에서 얻어진 실험 결과는 Woodshole의 Cole과 Curtis 그리고 Plymouth의 Hodgkin과 Huxley에 의하
여 독립적으로 발표됨. Cole과 Curtis는 활동전압이 일어나는 동안 막 capacitance에는 아무런 변화없이 막전도도의 증가가 발
생함을 증명하였고, Hodgkin과 Huxley는 활동전압이 단지 0 mV에 접근하는 것이 아니고 역전되어감을 발견 (그림 31).
Figure 30 오징어(Loligo) 거대축삭돌기(왼쪽)와 그안에 삽입된 기
록전극의 모양(오른쪽).
Figure 31 활동전압기록을 위한 실험장치(A)와
기록된 활동전압(B).
Hodgkin & Huxley의 발견: Evidence supporting Na-hypothesis
1) Overshoot: close to ENa
cf. Bernstein’s membrane theory: 활동전압이란 세포막의 투과성이 비선택적으로 증
가하여 세포막전압의 분극(polarization)을 잃어버리는 것이라는 가설
2) Replacement of outside Na+ with choline+ -> AP peak is close to ENa.
Figure 32 Na+농도감소에 따른 활동전압의 변화.
1949년 Hodgkin과 Katz에 의하여 최초로 Na+이 활동전압에
필요함을 밝힌 실험결과.
Voltage clamp experiments
1) Im = IC + IR = CmdV/dt + Iion
2) V가 변동하는 상황에서는 Iion을 구별할 수 없음
3) dV/dt0 by voltage clamp,
- Ic 제거 가능, Iion 만을 볼 수 있다.
- 일정한 막전압에서 시간에 따른 변화를 볼 수 있다.
Figure 25 막전압고정 실험장치
Figure 33 막전압고정 실험. 과분극 자극에는 거의 전류
변화가 없으나 저분극 자극에 의해 처음에는 내향전류, 뒤
이어 외향전류가 발생한다.
Dissection of membrane currents
Figure 34 이온대치실험에 의한 Na전류와 K전류의 분리
Figure 35 약물에 의한 Na전류와 K전류의 분리
tetrodotoxin
Na통로를 선택적으로 차단
tetraethylammonium
전압의존성 K전류 차단
• Na-전류는 gNa와 Vm-ENa에 의하여 결정. 따라서 어떤 일정한 저분극 pulse기간 동안(Vm-ENa=일정)에 나타
나는 Na-전류의 시간경과는 저분극에 의하여 나타나는 gNa 증가의 시간경과를 나타냄.
• gNa는 막전압이 저분극 상태를 계속 유지하여도 1 ms에 최대값을 보이고 곧 안정상태의 값으로 감소: 저분
극에 의한 활성화(activation)현상과, 곧 이어서 나타나는 비활성화(inactivation) 과정.
전류-전압 곡선 (I-V curve)
• 저분극 pulse에 의해 기록되는 내향전류의 크기는 막전압에 따라 크게 달라짐.
• 어느 값까지는 iNa가 증가하나 그 이상의 전압에서는 오히려 감소하여 Na전류의 I-V curve는 U자형
• K 전류는 저분극의 크기가 커질수록 계속 증가
outward current
steady state current
inward current
peak current
Figure 36 Na전류와 K전류의 전류-전압곡선 (I-V curve).
EH: 저분극펄스주기전 유지전압
Kinetic analysis of conductance changes
GNa= INa/(E-ENa)
GK= IK/(E-EK)
Na전류의 I-V curve와 활성화 곡선: 채널의 voltage dependence 표시
Na전류= gNa* (=Vm  Ena)
gNa = iNa/(Vm  ENa) 로 부터 Na채널 활성화정도인 gNa를 계산
activation curve
•Vm이 ENa에 가까워지면 gNa가 크다 해도 iNa가 감소하게 되고 Vm=ENa인 전압에서는 iNa가 0.
•gNa는 막전압의 저분극 정도가 증가함에 따라 증가하고 약 100 mV pulse에서 plateau를 나타냄.
• Na 전류 비활성화의 voltage dependence: inactivartion curve
inactivation curve
Figure 40 Na전류의 비활성화 곡선
Analysis of conductance changes
V1
V0
V0
V
I
a(V)
Close
Open
b(V)
n
1-n
dn/dt = a(1-n) – bn
upon opening (activation);
n(v1,t) = n(1-exp(-t/n))
, where n = 1/(an + bn)
n = an /(an + bn)
upon closing (deactivation);
n(v0,t) = n exp(-t/n)
a, b 가 V에 대한 함수: Voltage-dependent channels
Na- channel gating: activation and inactivation
a(V)
Close
b(V)
Open
a’(V)
b’(V)
Inactivated
V
I
Close
m gate: 1-m
a(V)
b(V)
Open
m
available
h gate:
h
b’(V)
a’(V)
Inactivated
1-h
3-5-5) 시간에 따른 전도도 변화의 수학적 모델링
K-전도도: 막전압의 변화에 따른 K-전도도의 증가가 단순 지수함수적으로 일어나지 않고 S-자형의 변화를 나타냄
이와 같은 사실을 Hodgkin과 Huxley는 n-gate가 4가지의 단순 지수함수적 과정이 동시에 활성화되어야, 즉
세포막에 존재하는 4개의 분자가 구조적 변화를 일으켜야만 열리는 것으로 가정. 수학적으로는 S-자형의 활성화
과정을 4승함수로 생각. 따라서 어떤 막전압 변화에서 K-전도도의 증가는 아래와 같이 표현됨.
gK = gKmax n4.
gKmax는 특정 막전압에서 얻어지는 최대 전도도이고 n은 0에서부터 1까지 변화하는 확률적인 개념으로서 K+
통로가 열린 상태로 존재하는 분율을 뜻함.
시간에 따라 지수함수적으로 증가하는 n의 변화는 n=1-exp(-t/τn)으로 주어지고 n은 막전압에 따라 크기가
달라진다. τn도 역시 막전압에 따라 달라짐.
Na-전도도: 활성화되었다가 곧 비활성화되는
경과를 보이므로 여기서는 두 종류의 gate를
생각하여 다음과 같이 gNa의 변화를 기술.
gNa = gNamax m3 h
gNamax는 특정 막전압에서의 Na+에 대한
최대 전도도이고 m=1-exp(-t/τm)이다.
이때 m3은 활성화 gate인 m-gate가 열리기
위해서는 세포막에 존재하는 3개의 분자가
동시에 구조적 변화를 일으켜야함을 나타내고,
비활성화 gate인 h는 한 분자의 변화에 의하여
개폐가 일어남을 나타냄.
비활성화 기전은 h-gate가 단순
지수함수적으로 감소하여 생기며 이때의
닫히는 h-gate는 h=exp (-t/τh)로 쓸 수 있다.
Figure 41 Hodgkin-Huxley가 가정한 gating parameter의 시간
에 따른 변화
3-5-6) 활동전압의 이온전류 관여
활동전압을 일으키는 이온전류의 sequence.
1) 역치크기의 전기자극을 세포막에 주었을 때 안정막전압의 크기는 감소하여 저분극이 일어난다.
2) 막전압이 역치에 도달하면 세포막의 Na-통로가 열려 Na+이 세포속으로 들어간다. 역치 이하에서는 Na전류는 K- 외향전류에 의하여 상쇄되어 버리므로 Na- 유입이 K- 유출보다 커지는 지점이 바로 역치전압이 된다.
3) 내향전류가 생겨 막전압은 더욱 저분극된다. 이러한 저분극은 Hodgkin cycle에 의하여 regenerative하게
증가하여 upstroke 현상이 일어난다.
4) 막전압이 ENa값에 가까와지면 Na+에 대한 emf가 감소하여 막전압의 변화속도가 줄고 마침내 peak에
달하게 된다.
5) Na-통로가 비활성화, 즉 폐쇄된다. 이 과정에 의해서도 활동전압은 재분극이 일어나게 되고 곧이어
일어나는 K-통로의 활성화로 재분극이 빨라진다.
6) K-통로가 열리면 K+은 emf에 의하여 세포밖으로 유출된다. 이 유출이 재분극을 촉진시킨다
Figure 42 안정시와 저분극 자극후 보이는 Na- 통로
와 K- 통로의 gate의 개폐 상태.
Figure 43 활동전압(V)을 막전도도 gNa와 gK로서 재구성한 그림.
Hodgkin-Huxley 이론식으로부터 simulation하여 얻은 그림이다.
위 상단의 전기회로는 세포막의 성질을 표시한 등가회로이다.
By changing resisters in a concerted manner,
we can produce various signals as we see from cells
IK
INa
Ibackground
Hodgkin cycle
• 저분극에 의하여 나타나는 gNa의 증가는 all-or-none원칙에 의하여 regenerative 하게 발생
하는 활동전압의 특성을 설명
• 저분극 pulse 자극에 의하여 gNa는 증가하고 그 결과 Na+의 세포내 유입이 일어남.
• Na+의 유입은 세포막전압을 더욱 저분극시키고 이러한 저분극은 더욱 gNa를 증가시켜 iNa
를 증가시킴: 이러한 막전압과 gNa사이의 positive feedback 관계를 Hodgkin cycle이라 부름.
• 이와 같은 Hodgkin cycle 결과 활동전압은 역치 이상에서 all로 반응하는 regenerative한 특
성을 나타냄.
5-4) 활동전압의 재분극 기전
•
K+의 외향전류
활동전압의 최고값에서 K+은 세포밖으로 나오려는 emf가 커지고 K통로가 열리면 K+이 세
포밖으로 빠져 나와 막전압을 끌어 내려서 EK에 가까운 안정막전압으로 재분극 된다.
K-통로는 Na-통로와는 달리 비활성화 현상이 없고 Na-통로 와 마찬가지로 저분극에 의하
여 열리지만 시간적으로 매우 느리게 열리므로 Na의 내향전류가 나타난지 조금 후에 서서
히 K- 외향전류가 나타남.
• Na 전류의 비활성화
inactivation
활동전압의 특성
1 All-or-none property of
the AP
Above the threshold current (0.2 nA) an
action potential is initiated. Increasing the
current pulse amplitude does not increase
the action potential amplitude (left), Below
the threshold no AP is initiated (right).
2
Regenerative property of
the AP
The AP is initiated at the axon hillock and
travels along the axon with no spatial decay.
3Figure 27 활동전압후에 보이는 불응기
• 두 활동전압 사이의 간격이 너무 짧으면 두번째의 자극이 아무리
크더라도 활동전압은 발생하지 않으며 이러한 경우를
절대불응기(absolute refractory period)라 칭함.
• 그 뒤에 상대불응기(relative refractory period)가 뒤따름.
상대불응기의 특성:
1) 활동전압을 일으키는 역치전압이 높다.
2) 활동전압의 크기가 작다. 즉 지나치기 전압이 작아진다.
• 불응기의 존재는 두개의 활동전압이 융합되는 것을 방지하고
독립된 활동전압으로 전도되게 해줌.
4
5
Figure 28 순응 (accommodation) - 정상적으로 300 pA 전
류자극에 의해 활동전압이 발생하지만(빨간색) 100 pA를 미리
흘려주다가 같은 전류자극을 주면 활동전압이 발생하지 않는다
(파란색).
Figure 29 적응 (adaptation) - 지속적인 자극
에 의하여 활동전압의 빈도가 감소하는 현상
Ion Channels
Na+ channel
TTX
h-gate
Na+-channel a subunits
•
•
•
•
•
•
•
NaV1.1 – 1.3: CNS, PNS, embryonic(1.3)
NaV1.4: skeletal m.
NaV1.5: heart m.
NaV1.6: CNS, PNS, node of Ranvier, glia
NaV1.7: PNS Schwann cell
NaV 1.8 - 1.9: PNS
Nax: heart, uterus, smooth m., glia
• TTX-resistant: underlined
• Expressed in DRG: 1.1, 1.7-1.9.
AP generation at axon hillock : low threshold region
Figure 1 Polarized distribution of Na+ channel subtypes.
Figure 2 Estimates of Na+ channel density at the soma and the
axon with outside-out patch recording.
direct electrophysiological evidence for
the highly clustered distribution of Na+ channels at the AIS
Na+ channels in the distal AIS and axon:
activation threshold of -55.5 ± 0.8 mV and complete activation at around -20mV
the half-activation voltages (V1/2): -43.9 ± 1.3 mV.
Somatic Na+ channels:
activation threshold of 42.7 ± 1.1 mV and complete activation at -10 to 5 mV.
V1/2 -29.7 ± 1.0 mV, k ¼ 5.8 ± 0.2).
•activation of Nav1.6 at the distal AIS: determination of the AIS potential threshold
•activation of Nav1.2 : determination of the somatodendritic potential threshold
and setting the threshold for the generation of full somatic action potentials.
Absence of NaV1.6 positively shifts INaT activation
Absence of NaV1.6 (Scn8) reduces the persistent Na current (INaP)
Calcium Channels
High voltage activated
Low voltage activated
Pre-synaptic nerve terminal
Schematic representation of the three groups of K+
channel principal subunits
KCNQ
Voltage-dependent K currents (Kv) comprise of
multiple components
Outward K+ current recordings
from neurons do now show
uniform characteristics.
Transient outward (Ito)
Delayed rectifier (IKdr) with various kinetics
Kv family
Functional classification of voltage-gated potassium currents
Overview of electrical signaling of neuron
• presynaptic AP
• postsynaptic potential:
excitatory or inhibitory
(EPSP or IPSP)
• subthreshold response
or propagating AP
all or none propagation
to axon terminals
Axon hillock
Synapse
backpropagating AP
•AP can be backpropageted to dendrites, due to the presence of
voltage-gated ion channels in dendrites.
•Backpropagating AP induces Ca2+ signals and regulates integrative
properties of dendrites.
•Dendritic ion channels are also important for integration of synaptic
inputs and regulation of synaptic plasticity.
Ion channels in dendrites
Neuron: soma and neurites (dendrites and axon)
dendrite: receiving information / axon: propagating information
sub-threshold
EPSP
Distal dendrite
Apical dendrite
Soma
Axon initial segment
Basal dendrite
Axon terminals
dendritic spike
propagation
Nav1.6
346.3/mm2 in Ranvier node
186.9/mm2 in AIS
5/mm2 in somata and apical den.
Nav1.1 subunit was restricted to small axonlike profiles in the SP; diffuse signal for the Nav1.2
subunit was observed in the neuropil of the SO, SR, and SLM; and intense Nav1.6 labeling was
confined to AISs and nodes of Ranvier
Nav1.2 subunit in the proximal part of PC AISs (Fig. 2A) (17), but no Nav1.2 subunit
mmunoreactivity could be detected in the plasma membranes of somata and proximal apical
dendrites.
Weak dendritic Nav1.6 labeling could be detected in those PCs in which AISs originated from the
apical dendrites (Fig. 2F).
Nav1.6 is the main Nav subunit in the somatodendritic compartments of CA1 PCs, whereas both
Nav1.6 and Nav1.2 subunits are present in AISs (17)
Magee et al., 1999
HCN channels in dendrites
ZD7288: HCN channel blocker
Synaptic plasticity vs Intrinsic plasticity
synaptic
non-synaptic
or
intrinsic
plasticity
I
Synaptic current
100
150
Low Rin
50
100
0
50
Vm
-100
-50
High Rin
0
50
100
Overview of electrical signaling of neuron
• presynaptic AP
• postsynaptic potential:
excitatory or inhibitory
(EPSP or IPSP)
• subthreshold response
or propagating AP
all or none propagation
to axon terminals
Axon hillock
Synapse
Cable property
5-1. 신경섬유의 cable 성질
세포막의 저항성분과 capacitor 성분은 전류가
신경섬유를 따라 전달하는 과정에 크게 영향을 미침.
신경흥분의 전도를 전선에서의 전기의 흐름과 동일한
방식으로 취급할 수 있음; 막이 가지는 피동적인 특성을
cable property라 함.
축삭돌기에서는 세포막의 저항 rm과 capacitance cm에
따라 국소 전류회로를 이루어 전도된다.
일정한 전류를 한 지점에 흘렸을 경우 길이에 따라
전압이 지수함수적인 감소를 보이는 것을 다음과 같이 표현
V(x) = V(0) exp(-x/λ )
λ (length constant) = rm/(ri+ro))1/2
따라서 x=λ인 점에서 기록되는 전위차는 V() = V(0) e-1
= 0.37 V(0)이다. 즉 λ는 초기전압의 63%가 감소되는
거리를 뜻하고, 축삭돌기 속을 따라 전도되는 전류는 rm이
크거나 ri가 작을 때 더 멀리까지 전달될 수 있음을 알 수
있다.
axon의 굵기가 클수록 ri 작아지고, 막의
절연도가 클수록 ro가 증가하여 가 커져
전도속도가 빠름
Figure 46 신경섬유에서 electrotonic potential의
거리에 따른 변화
5-2. 활동전압의 전도
한 지점에 발생한 활동전압은 국소회로에 의해 신경섬유를 따라 전도된다.
국소전류에 의해 근처의 막전압이 저분극되면 Na-전도도가 커져 Na+이 세포내로 유입된다.
이 결과 regenerative한 활동전압이 발생.
이 전압이 다시 근처 세포막으로 전도되어 막전압을 저분극시키고 Na-전도도가 증가된다.
거기에서 다시 regenerative한 활동전압이 일어나 그 다음 지역으로 전도.
AP propagation along
the axon
- local circuit (cable
property)
- regenerative
electrical property
Saltatory Conduction
Action potentials in myelinated nerves are regenerated
at the nodes of Ranvier
There are three stages (thresholds) in the integration of topdown associative information terminating at distal tuft branches:
(i) NMDA spike initiation at the distal tuft branches,
(ii) Ca2+ spike initiation near the main bifurcation, and
(iii) sodium spike initiation at the axon hillock.