[ Chapter 2: Information Transfer by Electrical Excitation ]

2.3 Currents through Potential-Dependent Membrane Channels
Membrane patch clamp
Fig. 2.11: patch clamp
1 um² 정도의 작은 막 부위를 glass pipette로 suction해서 막의 다른 부위와 전기적으로 차단시킨(전기적 저항: more than 1 GOhm) 후 patch내의 채널을 통한 currents의 변화를 특정 membrane potential level에서 측정한다.
Currents through single Na⁺ channels
Fig. 2.12: Currents through sodium channels (좌측)
MP을 14 ms 동안 -80mV에서 -40mV로 변화시키면서 Na과 K membrane currents를 10번 측정.
-1.6 pA amplitude의 single current pulse가 single Na 채널 protein을 통해 흐름을 확인.
:various duration of the current pulses: channel이 열려있는 시간. 평균 0.7 ms.
:channel opening time도 varying
:adding together--->Sum of channel currents:
Na 채널은 depolarization후 1.5 ms에 가장 빈번히 열리고 닫힘
10 ms후에는 minimal (inactivation of Na channel)
Fig. 2.13: Three States of the Na channels
1. Closed activatable: 막의 depolarization에 의해 open activated 또는
closed inactivated states로 전환
2. Open activated: repolarization 또는 hyperpolarization에 의해
closed activatable state로 전환
막의 depolarization에 의해 closed inactivated state로
3. Closed inactivated: repolarization 또는 hyperpolarization에 의해
closed activatable state로 전환
Currents through Single K channels
Fig. 2.12: 우측: +2 pA의 small current pulses
channel opening duration: varying, average 5 ms
opening period동안 K channel은 매우 빠르게 open-close를 반복
(bursts of channel opening)
depolarization동안 K channel은 inactivation이 안되고 계속 open & close.
Sum of channel currents: delay opening, then stays constant
Na channel과는 달리 적어도 5가지 type의 K channel들이 발견되었다.
---> AP의 shape을 다르게 함 (repolarization velocity, afterpotentials)
Currents through single Ca channels
Cell이 depolarize되면서 Ca channel도 열린다.
Na과 더불어 Ca influx (inward calcium current)
세포내 Ca 농도는 매우낮다 (따라서 E_ca이 E_k보다 더 positive하다)
axonal membrane에서 g_Ca가 g_Na에 비해 상대적으로 작아서 AP분석시 negelected.
신경세포의 dendrites나 axon terminal에서는 depolarization시 g_Ca가 g_Na를 능가.
Cardiac muscle, smooth muscle에서도 g_Ca가 중요
세포내에 Ca 증가(from 10^-7 to 10^-6 mol/l)는 intracellular control function에
중요하다(protein kinase의 활성화)
Fig. 2.14: Single calcium-channel curretns in cardiac muscle cells
600 ms동안 -70에서 +10 mV로 막을 depolarize시키면서 channel currents 조사
1 pA amplitude, individual opening: 1 ms, closures between them: 0.2 ms
Summmed currents: rapid onset and slow inactivation (time constant: 130 ms)
Channel kinetics: closed 1<---> closed 2<----> open
closed 1 & 2: frequency & duration of the bursts
closed 2 & open: frequency & duration of the individual openings Modulation of Ca channel activity
e.g., adrenalin: increases the frequency of the bursts
increases Ca influx, cAMP mediated. closed 1--->closed 2

Moleculs of the Na channel
Fig. 2.15: Model of Na⁺ channel in the membrane
여러 종류 channel protein들은 구조와 기능면에서 서로 유사하다.
Ca²⁺ channel에서 유래되었다고 제안되었다.
Na⁺channel molecule: MW: 300K, glycoprotein, amino acid sequenced
Isolated channel을 artificiallipid membrane에 넣은 후에도 연구가능
1-50 Na⁺ channels/um^2,mean channel separation: 0.5 nm
signle channel이 1 ms동안 열려 있을 때: 약 1 pA의 currents가 흐르며
이 때 6,000 Na⁺ 이 이동한다. membrane potential을 100 mV shift하기에 충분
세포내의 [Na⁺]ⁱ는 negligible
Na⁺ channel must be selective for Na⁺
Anions들은 채널 입구의 음전하에 의해 못들어온다.
Small cation인 Li⁺은 잘 통과한다. 그러나 K⁺은 excluded.
channel 통과시 ion이 channel protein에 binding한다.
Membrane potential이 변할 때 permeability를 빨리 변화시켜야한다.
---> membrane의 field strength의 변화에 따라 channel molecule의 charge가 변화.
이러한 charge의 변화가 gating current로서 측정된다. (적어도 4 charges)
:field sensor로서 channel moecule의 conformation을 open state로 되게끔
Open state는 unstable하며 자동적으로 closed-inactivated state로 전환됨
이러한 inactivation과정은 막내부 쪽의 channel protein에 일어난다.
Iodate, pronase, 특정 toxin들에 의해 inactivation이 억제될 수 있다.
Local anesthetics(LA): Na+ channel blocking:
prevent excitation & its propagation in nerves
binding only to the open channels (채널 입구에서)
lipid-soluble 한 LA는 채널 안으로 들어갈 수있다 (막안쪽으로 부터)
2.4 Electrotonus and Stimulus

흥분은 막이 threshold level로 depolarize되어야 일어난다: stimulation과정
stimulus란 막을 depolarize시키는 electric current
passive behavior of the membrane VS. excitation (AP)
without altering ionic conductance

Electrotonus in the case of Homogenous Current Distribution

Fig. 2.16: Electrotonic potential of a spherical cell
구형 세포에 current injection 하고 MP을 측정
초기에는 빨리 depolarize하다가 slow down--->
: 막을 통한 ion current와 electrode를 통해 준 electric current와 같아진다.
이 때의 potential의 변화를 electrotinic potential 또는 electrotonus라 한다.
final amplitude of the electrotonus는
membrane resistance에 비례 (membrane conductance에 반비례)
초기의 electrotonus의 빠른 상승은 membrane capacitance에 의해 결정되며,
이때 capacitive current만 흐른다.
countercurrent가 흐르기 시작할 때 electrotonus는 exponentially 변화

Electrotonus in Elongated Cells

Fig. 2.17:
대부분의 신경과 근육세포는 매우 길다.
current를 주었을 때 구형세포에서와는 달리 current distribution이 일어난다
current injection site로 부터 멀어지면서 electrotonus의 높이가
exponentially 감소(E_max의 37% 떨어진 지점--->
membrane length cinstant: 보통 0.1 - 5 mm in other cells)
가까이: steep slope, 멀리: delayed, slow rise

Membrane polarization by way of extracellular electrodes
Fig. 2.18:
Extrceullr application of current
anodal (positive) electrode: current flows from anode to cathode
membrane capacitor의 증가
이에 따라 MP의 변화: K⁺ ion flows in: hypopolarized
cathodal (negative) electrode: depolarization
nerve자극시 anodal(reference) electrode는 large surface area를 갖는
cathodal electrode(stimulating electrode)로 부터 멀리 둔다

Stimulus and Threshold

threshold를 증가하는 depolarizing electrotonus가 주어졌을 때 excitation
이 때의 current pulse를 stimulus라 한다.
membrance capacitance 때문에 few msec 후에 threshold에 도달
따라서 stimulus는 적절한 기간동안 주어야 한다.

Near-threshold stimuli
Fig. 2.19:
dendrites나 soma는 종종 threshold에 가까이 depolarize되어 있어
작은 MP의 변화에 의해 정보가 AP로 전달 되냐 안되냐가 결정 된다.
threshold에서 AP 생성---> g_Na 증가---> Na⁺ influx---> 막의 자동적 depol.
Depolarization에 따른 Na+ inflow는 threshold level에서 갑자기 일어나지 않는다.
4 depolarizing & 4 hyperpolarizing current pulse를 줄 때 MP 측정
2 small depolarizing electrotonus는 2 small hypolarizing electronus와 대칭적
3rd & 4th depolarizing electrotonus는 상대적인 hyperpolarizing electrotonus에
비해 빨리 증가하고 크다. 5th: suprathreshold
: local response= extra depolarization
이 ㄸ Na⁺ inflow가 K⁺ outflow를 능가하지만 AP생성에는 못 미침

2.5 Propagation of the Action Potential

Measurement of Conduction Velocity
Fig. 2.20: Extracelluar AP recording from a nerve
한 지역 자극하면 멀리 떨어진 같은 nerve의 한 지점에서 같은 크기의 AP 측정가
but with delay (protpotional to the distance from the stimulus site)
motor nerve 100 m/sec
right--->left 로 전도
electrode 1: 막의 표면이 electrode 2에 비해 negative
---> positive voltage change
electrode 2에 흥분이 전달 되었을 때: negative AP
overal votage change recorded with two electrodes: diphasic
two phases of the diphasic potential usually overlap

The compound action potential of a mixed nerve
Fog. 2.21, Table 2-1
전체 nerve에서 recording
A-alpha, beta, gamma, delta & C-fiber groups

Mechanism of Conduction

Na ion influx에 따라 옆의 흥분되지 않은 막에 depolarizing electrotonus제공
propagation of excitation by electrotonic coupling

Membrane currents during the conducted action potential
Fig. 2.22:
AP: from right to left
A: left쪽으로 막을 depolarize(g_Na 증가), electrotonic spread of + ions
C: right 쪽의 막은 depolarization prevented by high g_K
(if gK is relativel low or some depolarizing effects---> repetitive 흥분)

Factors determining conduction velocity
amplitude of the inward Na⁺ current
(Na⁺ 농도 낮춤, enhanced inactivation of the Na⁺ system, local anesthetics
---> Na⁺ influx저하--> 전도속도 감소)

resistance and the capacitance of a unit area of membrane: 대체로 동일
Electrotonic spread: fiber diameter가 주로 결정
membrane area: proportional to diameter
cross-sectional area: " to the square of the diameter
증가된 fiber diameter---> cross sectional area에 의해 결정되는
longitudinal resistance가 감소--->
more extensive spread of the electrotonic currents
(increase in length constant): predominant
membrane diameter의 증가--> membrane capacitance가 증가-->
conduction velocity 감소: minor
CV: fiber diameter의 square root로 증가.

Conduction in myelinated axons

Fig. 2.23 Saltatory conduction in myelinated fiber
nodes of Ranvier
conduction time through the internode: practically zero
internode: electrotonic spread without decrement
delay occurs only at nodes: to reach threshold and elicit AP
Na+ channel density가 100X than unmyelinated fibers
CV: above 3m/sec, myelinated fibers

2.6 The Triggering of Impulse Volleys by Long-Lasting Depolarization
Rhythmic impluse generation
Mechanism of impulse-volley generation