Action Potential and Action Potential and Properties of Nerves Properties of Nerves

أحمد. دد صادق أحمد. طه صادق طه

الخرطوم ) ( جامعة الجراحة و الطب بكالوريوسبريطانيا ) ( السريري األعضاء وظائف علم في دكتوراهو للمخ الكهربائية للفحوصات األمريكية الجمعية عضوية

العضالت و األعصاباألمريكية) ( المتحدة الواليات

السعودية ) الهيئة األعصاب و المخ تخطيط إستشاريالطبية ( للتخصصات

الصرع عالج و لمكافحة العالمي األتحاد عضوالعصبية للعلوم العالمي األتحاد عضو

Potassium Voltage-Gated

Channel

Sodium Voltage-Gated

Channel

بالفولطاج المحكومة اللخلية جدار في القنواتالتي ) البوتاسيوم و الصوديوم الكهربائي قنوات بالتحفيز تفتح

Sodium & Potassium Voltage –Gated Channelsمعه ) حامال الخلية داخل إلي الصوديوم يتدفق ثفتح عندما الصوديوم قناة

و موجبة شحنةالخلية داخل سالبية جاعال داخلها( : أقل من أكثر الخارج في تركيزه ألن

إلي الخلية داخل من البوتاسيوم يتدفق البوتاسيوم قناة تفتح عندما وشحنة ) معه حامال خارجها من أعلي الخلية داخل تركيزه ألن خارجها

الخلية ) داخل وجاعال موجبة سالبية (كهربائية أكثر

بالفولتاج المحكومة الصوديوم +The Voltage-Gated Na قناةChannel (1)

• واحدة : بوابتان عندهاداخلية : خارجية أخري و

اسمها الخارجية• Activation Gate

• اسمها الداخلية و• Inactivation Gate

• في تكون القناة هذه وحاالت ثالثة من : واحدة

• And this channel has 3 states

The Voltage-Gated Na+ Channel (1)

• And this channel has 3 states

• (1) Resting state الراحة : حالة

• in the resting cell , when the MP = RMP = -70 to -90 mV ,

the ( outer) activation gate is closed & the inner inactivation gate is openBut , although the inactivation gate is open no Na+ enters through this gate , because the outer activation gate is still still closed

The Na+ Voltage-Gated Na+ Channel (2)

• (2) Activated state : when a Threshold Depolarizing Stimulus قوي محفز

كافية stimulus moves the MP بدرجةfrom its resting value (-90 mV ) to its Threshold value (-65 to -55mV)

• this opens the activation gate• , and now the Na+ channel is said to be in

the Activated State • كال ) الحالة هذه في أنه الحظ

فاتحة NB in instance,case البوابتينboth the activation gate & inactivation gate are open )

• permeability to Na+ becomes increased 500 to 5000 times Na+ influx

• N+ pours الخلية داخل إلي يتدفbقكبيرة يصير بكميbات الخلية داخل

أكثر موجب( Na+ influx )into the cell in large amounts ,depolarizing it more & more , until there is eversal of MP . •

The Na+ Voltage-Gated Na+ Channel (2)

(3) A few milliseconds later , the inactivation gate is closed

the channel now is said to be in the Inactivated State

in this case , while the activation gate is still open ,

the inactivation gate is closed .

• After the AP is over . , the inactivation gate will not open by a second stimulus & the cell becomes Refractory ممانعة ) to another stimulation , until the MP has gone back to its resting level ( -70 to -90mV).

بالفولتاج المحكومة البوتاسيوم بالفولتاج قناة المحكومة البوتاسيوم -The Voltage-The Voltageقناة

Gated Potassium ChannelGated Potassium Channel Has one gate only .Has one gate only . فقظ واحدة بوابة فقظ عندها واحدة بوابة During During عندها

the resting state , the the resting state , the gate of the potassium gate of the potassium channel is closed , and K+ channel is closed , and K+ can not pass through it . can not pass through it .

Shortly after Shortly after depolarization , when the depolarization , when the sodium channel begins to sodium channel begins to be inactivated , the be inactivated , the potassium channel potassium channel opens .opens .

K+ exits K+ exits ( called K+ ( called K+ Efflux) Efflux) البوتاسيوم البوتاسيوم خروج خروج

أكثر سالب يصير الخلية أكثر داخل سالب يصير الخلية داخل Repolarization Repolarization

99

Q : What is a Subthreshold Q : What is a Subthreshold Stimulus ? Stimulus ?

A : it is a weak stimulus, not A : it is a weak stimulus, not strong enough to carry the strong enough to carry the MP to the Threshold Level MP to the Threshold Level

i.e., it may depolarize the i.e., it may depolarize the membrane to less than membrane to less than threashold level threashold level fails to fails to produce AP , and can produce AP , and can produce only Local produce only Local Response Response

Subthreshold Stimuli

Threshold Stimulus

Local Response s

-90

-65

Q : What is a Threshold Stimulus ? A : it is a stimulus strong enough to depolarize the membrane & move the MP to Membrane Threshold Level = -50 to -65 mV Which is the firing level at which the Action Potential is triggered

Graded Potential (Local Graded Potential (Local Response ) :Response ) :

Stimulation of the neuronStimulation of the neuron by a by a weak weak subthreshold stimulussubthreshold stimulus

produces a local produces a local مكانه يبارح ال مكانه محلي، يبارح ال ,, محلي، non-propagated non-propagated بعيدا منتقل بعيدا غير منتقل غيرpotential potential المجاورة ) ) المنطقة في فقط قياسه المجاورة يمكن المنطقة في فقط قياسه يمكن

ذ من أبعد ليس و ، ذ مباشرة من أبعد ليس و ، which iswhich isمباشرة measurable measurable onlyonly in the imm in the immeediatediate vicinity of stimulated point , but notvicinity of stimulated point , but not further than that further than that

Action potential ( AP) :Action potential ( AP) : AP is produced by a threshold AP is produced by a threshold

stimulus stimulus AP is the MP value in case of a cell AP is the MP value in case of a cell

that is generating a that is generating a propagatedpropagated electrical potential electrical potential بعيدا يي بعيدا نتقل نتقل

It can be measured anywhere It can be measured anywhere along the nerve along the nerve علي بعيدا قياسه علي يمكن بعيدا قياسه يمكن

العصبون العصبون طول طول At the peak of the AP , the value of At the peak of the AP , the value of

the MP reaches the MP reaches +35 to +40 mV+35 to +40 mV

Local Response

Increasing Stimulation

-65

-90

In case of local responses : In case of local responses : (a) A subthreshold excitatory (a) A subthreshold excitatory

stimulus opens opens sodium stimulus opens opens sodium channelschannels entry of sodium or entry of sodium or calcium depolarizes the calcium depolarizes the membrane ( makes it less membrane ( makes it less negative ) negative ) brings it closer to brings it closer to threshold ( i.e.. makes the cell threshold ( i.e.. makes the cell more excitable ) more excitable ) this is a this is a depolarizing local response depolarizing local response

(b) An inhibitory stimulus opens (b) An inhibitory stimulus opens potassium or chloride channels potassium or chloride channels

hyperpolarizes the membrane hyperpolarizes the membrane ( makes it more negative ) ( makes it more negative ) producing producing a hyperpolarizing a hyperpolarizing local response local response (which makes (which makes the cell more difficult to excite the cell more difficult to excite

At synapses , where neurotransmitters mediate opening of channels , (a) mentioned above is called Excitatory Postsynaptic Potential ( EPSP ) , and (b) is called Inhibitory Postsynaptic Potential ( IPSP ) .

Depolarizing Local Response or EPSP Hyperpolari

zing Local Response

-90

-65

Stimulus Increasing Stimulation

Threhold لعتبةا Potential ( Firing Level ) = -65 mV

RMP Resting Membrane Potential = -90 mV

فولتاج الخلية المرتاحة

Local Responses

Increasing Stimulation

Threhold لعتبةا Potential ( Firing Level ) = -65 mV

RMP= -90 mV

Local Responses

Reversal Potential= + 35 to +40 mV

المحكومة القنوات يفتح الذي مابالفولطاج؟

لو : كهربائي محفز يفتحهابحيث كافية بدرجة قوي كان

ال العتبة MP يوصل الي -65mV آكشن ذلك عن فينتج

بوتنشيال

Actually, in different nerve cells , threshold ranges between -50mV and -65 mV

Increasing Stimulation

Threhold Potential ( Firing Level ) = -65 mV

Local Responses

المحفز لوكان لكن ويوصله Subthresholdضعيف لم و

استجابة ذلك عن فينتج العتبة الي Local Resoponseمحلية

المحلية األستجابة ؟ بوتنشبال اآلكشن و المحلية األستجابة بين الفرق ماهوتطيع( 1) ال و توليده Law All or None(2)متدرجة مكان عن بعيدا تنتقل ال

بوتنشيال ) األكشن شيء( 1أما ال أو شيء كل قانون يطيع و متدرج فغير(2) العصبون( ) نهاية حتي بعيدة مسافات الي يتنقل و

ا

األكشن ااثناءتحول بوتنشيالالخلية كهرباء

سالب 90منموجب 40-35الي

األكشن قمة عندبذلك و بوتنشيال

انقالب يحصلالبوتنشيال في

فيصيرداخل و موجب الخلية

سالب خارجها

Reversal Potential= + 35 to +40 mV

Q : What is a Q : What is a Threshold Threshold Stimulus ? Stimulus ?

؟ الثرشهولد المحفز هو ؟ ما الثرشهولد المحفز هو ما لتغيير الكافية القوة ذو المحفز لتغيير هو الكافية القوة ذو المحفز هو

من المرتاحة الخلية من كهرباء المرتاحة الخلية كهرباءسالب 9090سالبسالب سالب الي يولد 6565الي هذا يولد و هذا و

بوتنشيال بوتنشيال آكشن آكشن A : it is a stimulus strong A : it is a stimulus strong

enough to depolarize the enough to depolarize the membrane & move the MP membrane & move the MP from the resting -90 mV from the resting -90 mV the to the to Threshold Level = -Threshold Level = -65 mV 65 mV

Which is the firing level at Which is the firing level at which the Action Potential which the Action Potential is triggered is triggered

Q : What is a Q : What is a Subthreshold Subthreshold Stimulus ? Stimulus ?

A : it is a weak stimulus, A : it is a weak stimulus, not strong enough to carry not strong enough to carry the MP to the Threshold the MP to the Threshold Level Level

Subthreshold Stimuli

Threshold Stimulus

Local Response s

RMP -90

-65

i.e., it may depolarize the membrane to less than threashold level fails to produce AP , and can produce only Local Response

Reversal Potential= + 35 to +40 mV

In all above cases the In all above cases the -ve or +ve sign refers -ve or +ve sign refers to the inside of the to the inside of the membrane . membrane .

In nerves , the AP is In nerves , the AP is generated at the generated at the initial segment of the initial segment of the axon , which is called axon , which is called Axon hillockAxon hillock

Because the axon Because the axon hillock has high hillock has high density of voltage-density of voltage-gated channels .gated channels .

but , by contrast , a but , by contrast , a local responses can local responses can be generated at any be generated at any membrane area if the membrane area if the stimulation is stimulation is sufficient sufficient

Under Artificial condition of electrical stimulation in the laboratory , the AP propagates in both directiions . But normally AP starts in axon hillock & propagates distally in one directions

Axon Hillock

Artificial Electrical Stimulation

Direction of AP Propagation (Conduction) النبضة إنتقال إتجاه العصبية

Increasing stimulation will NOT increase the amplitude ( height ) or duration ( width ) of AP , but will increase frequency of AP

-90

-65

Reference : Taha S Ahmed in Concise Human Physiology

The Action Potential (AP) The Action Potential (AP) ( nerve impulse & muscle AP )( nerve impulse & muscle AP ) We need to describe 3 types of event We need to describe 3 types of event (1) (1) Electrical changes Electrical changes in the cell-membranein the cell-membrane أو أو

الكهربائية الكهربائية التغيرات مختلف التغيرات في �ة الخلي علي نرصدها مختلف التي في �ة الخلي علي نرصدها التيبوتنشيال اآلكشن بوتنشيال مراحل اآلكشن مراحل

( depolarization , repolarization & ( depolarization , repolarization & hyperpolarization ) hyperpolarization ) (2) (2) Ionic changes Ionic changes underlying the electrical underlying the electrical events ( N+ influx and and K+ efflux ) events ( N+ influx and and K+ efflux ) التغيرات التغيراتاأليونيةاأليونية(3) Excitability changes(3) Excitability changes األستثارية األستثارية التغيرات & & التغيراتrefractory periods refractory periods الممانعة الممانعة وفترات when will be ( when will be )وفتراتthe cell ready to respond to a second stimulus the cell ready to respond to a second stimulus & produce AP after the first one (preceding & produce AP after the first one (preceding one ) one )

A/ Electrical Changes During the Nerve Action Potential

We need to start from the

baseline i.e., Resting Stateofthe cell i.e, at the RMP A threshold Stimulus willlead to (1) Depolarizationphase و األستقطاب إزالة مرحلة

الخلية في الصوديوم دخول سببها

• In some neurons there is a 3rd phase ,due to continued potassium otflow , called Hyperpolarization

Na Pump brings MP back to its resting value

-65

-90

(2) which soon ( within about one millisecond ) will be followed by Repolarization phase وسببها األستقطاب إعادة مرحلة

الخلية من البوتاسيوم خروج

C/ Excitability Changes During the APC/ Excitability Changes During the AP

Meaning : when can the cell respond to a second stimulus Meaning : when can the cell respond to a second stimulus ))after the firstafter the first stimulus which produced the first AP)stimulus which produced the first AP)

سبب الذي األول المحفز بعد تاني لمحفز لألستجابة مستعدة الخلية تكون سبب متي الذي األول المحفز بعد تاني لمحفز لألستجابة مستعدة الخلية تكون متياألصلي ( ، األول بوتنشيال األصلي (اآلكشن ، األول بوتنشيال اآلكشن

(1) Absolute Refractory Period : where (1) Absolute Refractory Period : where no stimulus , however strong , can no stimulus , however strong , can produce a second AP produce a second AP . It is due to inactivation of Na+ channels .. It is due to inactivation of Na+ channels .

(2) Relative Refractory Period (2) Relative Refractory Period : a stimulus higher than threshold is : a stimulus higher than threshold is needed to produce an APneeded to produce an AP . Due to continued outflow of K+ . . Due to continued outflow of K+ .

فترة الرفض المطلق

فترة الرفض النسبي

Types of Nerve Fibers : Myelinated & UnmyelinatedTypes of Nerve Fibers : Myelinated & Unmyelinated بغطاء : مغطي بعضها نوعان بغطاء : العصبونات مغطي بعضها نوعان العصبونات

المايلين أو أو من المايلين غمد من غمد Myelin Myelin SheathSheath

دهنية مادة هو دهنية و مادة هو والعصبونات . و مغطي غير اآلخر بعضها العصبونات . و و مغطي غير اآلخر بعضها و

و سمكا أكثر هي بالمايلين و المغطاة سمكا أكثر هي بالمايلين المغطاةالعصبية للنبضات نقال أسرع العصبية بالتالي للنبضات نقال أسرع بالتاليسمكا) أكثر العصبون كان كلما سمكا) ألنه أكثر العصبون كان كلما ألنه

كان كان كلما كلماالعصبي( 11))أوال أوال النقل في العصبي( أسرع النقل في أسرع توفيرا( 22 ) )وثانيا :وثانيا : أكثر كان توفيرا( كلما أكثر كان كلما

ناحية من إقتصادي يعني ، ناحية للطاقة من إقتصادي يعني ، للطاقةالمستهلكة المستهلكة الطاقة الطاقة

مايلينية الغير العصبونات في ألنه مايلينية ذلك الغير العصبونات في ألنه ذلكطريق عن العصبية النبضة طريق تنتقل عن العصبية النبضة تنتقلإلي نقطة من محلية كهربائية إلي تيارات نقطة من محلية كهربائية تياراتعشر ) من جزء مباشرة تليها عشر ) التي من جزء مباشرة تليها التيالمليمتللر (المليمتللر (

تنتقل المايلينية العصبونات في تنتقل بينما المايلينية العصبونات في بينما ، التالية إلي رانفيير عقدة من ، بالقفز التالية إلي رانفيير عقدة من بالقفز ، أخري إلي عقدة من بالقفز ، أي أخري إلي عقدة من بالقفز أي , كل في مليمترات عدة أ , لعليمتر كل في مليمترات عدة أ لعليمتر.. قفزةقفزة

Types of nerve Fibers Types of nerve Fibers Nerve fibers can be classified in 2 ways :Nerve fibers can be classified in 2 ways :A/Classification According to Myelination A/Classification According to Myelination (2) Myelinated Fibers (2) Myelinated Fibers Myelin sheath Myelin sheath الغطاءالمايايني أو الغطاءالمايايني الغمد أو covers the axis covers the axis الغمد

cylinder , cylinder , separated by separated by Nodes of RanvierNodes of Ranvier ( naked , uncovered ( naked , uncovered

parts ) at 2-3parts ) at 2-3Micron intervalsMicron intervals (2) Unmyelinated : without (2) Unmyelinated : without myelin sheaqth myelin sheaqth

B/Classification According to Diameter B/Classification According to Diameter A, B & C fibers Diameter : A> B> C Because conduction velocity depends upon diameter , A

are fastest and C are slowest A and B are myellinated C are unmyelinated

2-3 microns

Propagation ( Conduction ) of Action Propagation ( Conduction ) of Action Potential Potential العصبية النبضة العصبية إنتقال النبضة إنتقال

In both myelinated and In both myelinated and Unmyelinated nerve fibers impulses arepropagated ( conducted ) by Unmyelinated nerve fibers impulses arepropagated ( conducted ) by

Sodium Ionic Current Flows Sodium Ionic Current Flows / كهربائية أيونية كهربائية /تيارات أيونية تيارات In unmyelinated fibers , they oare contiguous In unmyelinated fibers , they oare contiguous متالمسة ، متالمسة متالصقة ، متالصقةoccurrring at almost each adjacent occurrring at almost each adjacent متجاورةمتجاورة point on the point on the membrane .This is called membrane .This is called Continuous ( Contiguous ) Continuous ( Contiguous )conduction conduction of nerve impulses of nerve impulses

and in myelinated nerves thereand in myelinated nerves there Saltatory Conduction Saltatory Conduction , where ionic currents , where ionic currents

travel by jumping from oneNode of Ranvier travel by jumping from oneNode of Ranvier to the next to the next ..

End of Lecture AP & End of Lecture AP & Properties of NervesProperties of Nerves