ارتفاعات ذات عتبة منخفضة

يعود توليد الإيقاع في العصبون إلى عدم استقرار مرتبط بجهد الراحة . ويمكن عزو هذا عدم الاستقرار إلى خصائص تيارات الكالسيوم ذات العتبة المنخفضة. يتم تنشيط التيار عند حوالي -60  ملي فولت، مما يجعله قادرًا على توليد نبضة جهد منخفضة العتبة عند جهد الراحة أو بالقرب منه. ^{[ 4 ]}

في اكتشاف حديث نسبياً، تبين أن الخلايا التي تُحافظ على مستوى استقطاب زائد تُظهر إيقاعاً ذاتياً، مما يؤدي إلى سلوك تذبذبي تلقائي نتيجةً لإزالة الاستقطاب بفعل أيونات الكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ . ونتيجةً لذلك، تحدث دفقة أو أكثر من النبضات القصيرة، تليها استقطاب زائد، ثم إعادة استقطاب قبل الدفقة التالية. ^{[ 5 ]}

أجرت غوتيريز وزملاؤها دراسةً لفحص حركية الارتفاعات ذات العتبة المنخفضة لفهم أهميتها في الوظائف الطبيعية للدماغ. وقد ثبت تجريبياً أن أربعة تيارات أيونية تُسهم في هذه الارتفاعات، مُولِّدةً ثلاث مراحل متميزة بعد فرط الاستقطاب . يمكن لتيارات البوتاسيوم الخارجية العابرة التي تعقب جهد الفعل أن تُسبب فرط الاستقطاب، مما يسمح بحدوث الارتفاعات ذات العتبة المنخفضة. تتميز المرحلة الأولى بتيار تسرب أومي أولي مُكوَّن من أيونات البوتاسيوم والصوديوم. يلي ذلك تيار "انخفاض" مُنشَّط بفرط الاستقطاب يُسهم في إزالة استقطاب جهد الغشاء ببطء. أما المرحلة الأخيرة، فهي تيار الكالسيوم الداخلي عبر قنوات الكالسيوم من النوع T، وهو التيار الرئيسي المسؤول عن إزالة الاستقطاب العابر الكبير. ويتغلب هذا التيار على التيارات الأخرى بمجرد تنشيط قنوات النوع T. وتؤثر التيارات الأخرى بشكل أساسي على تنشيط ^{الارتفاعات} ذات العتبة المنخفضة. ^{[ 6 ]}

توجد قنوات الكالسيوم من النوع T في الخلايا العصبية في جميع أنحاء الدماغ. وتُنتج هذه القنوات تيارات كبيرة بشكل خاص في خلايا المهاد، والحاجز، والخلايا العصبية الحسية. ونظرًا لتنشيطها بالقرب من جهد غشاء الراحة ، فضلًا عن سرعة تعافيها من التثبيط، فإنها قادرة على توليد نبضات منخفضة العتبة، مما يؤدي إلى سلسلة من كمونات الفعل .

تؤدي قنوات النوع T دورًا ثانويًا كمنظم لضربات القلب في الخلايا العصبية التي يتراوح جهد غشائها في حالة الراحة بين -90 و-70 ملي فولت، نظرًا لدورها المهم في توليد إطلاق النبضات المتفجرة. ويؤدي جهد ما بعد المشبك الاستثاري (EPSP) إلى فتح هذه القنوات، مما يُولد جهدًا طويل الأمد (LTS). ويُحفز هذا الجهد الطويل الأمد جهود فعل تعتمد على أيونات الصوديوم (Na ^{+) ويُنشط قنوات} الكالسيوم المُفعلة بجهد عالٍ . ^{[ 7 ]}

وُصفت أدلة وجود تيار الكالسيوم ذي العتبة المنخفضة لأول مرة في خلايا عصبية في النواة الزيتونية السفلية (1981). تُولّد هذه النواة نشاطًا إيقاعيًا متزامنًا، والذي يتجلى في بعض الحالات على شكل رعشة. وقد وُصفت ارتفاعات الكالسيوم ذات العتبة المنخفضة في خلايا عصبية من مجموعة متنوعة من نوى الدماغ، بما في ذلك النواة المهادية، والتكوين الشبكي الجسري الإنسي، والنواة الحبلية الوحشية، والحاجز، ونوى المخيخ العميقة، ومناطق CA1-CA3 من الحصين، وقشرة الارتباط، والنوى المجاورة للبطين والنوى أمام البصرية في منطقة ما تحت المهاد، والنواة الرافية الظهرية، والكرة الشاحبة ، والجسم المخطط، والنواة تحت المهادية .

تُظهر خلايا الترحيل المهادية نوعين من الاستجابات. النمط الأول هو نمط الترحيل أو النمط التوتري، حيث تُزال استقطابية الخلية وتُعطَّل الإشارات طويلة المدى (LTS). يؤدي هذا إلى إطلاق مستمر لكمونات الفعل. أما النمط الثاني فهو نمط الانفجار، حيث تُفرط استقطابية الخلية وتستجيب عادةً بإشارات طويلة المدى (LTS) وما يصاحبها من دفعات من كمونات الفعل. ^{[ 8 ]}

بشكل عام، لا يمكن تحفيز ظاهرة التحفيز طويل الأمد (LTS) عن طريق إزالة استقطاب العصبون من جهد غشاء الراحة. تُلاحظ ظاهرة التحفيز طويل الأمد بعد إيصال نبضة استقطاب زائدة إلى الخلية العصبية، وهو ما يُسمى "إزالة التعطيل" وينتج عن تعافي القنوات من حالة التعطيل.

غالباً ما يتم تحفيز LTS بعد جهد ما بعد المشبك المثبط (IPSP) بسبب التعافي السريع لقنوات الكالسيوم من النوع T أثناء IPSP وفتحها، حيث يكون هناك عودة إلى جهد غشاء الراحة.

توجد علاقة ارتباط قوية بين سعة جهد الفعل طويل الأمد (LTS) وعدد جهود الفعل الناتجة عنه. ويحدث استقطاب أكبر بكثير لقنوات T بالقرب من موقع المستقبلات المنشطة في التغصنات مقارنةً بجسم الخلية. ويؤدي تنشيط مستقبلات الغلوتامات الأيضية أو مستقبلات المسكارين إلى تحول استقطابي زائد في العلاقة بين سعة جهد الفعل طويل الأمد والجهد الأولي للغشاء. ويؤثر هذا على السعة القصوى لجهد الفعل طويل الأمد. وهذا يعني وجود اعتماد بين سعة جهد الفعل طويل الأمد والجهد، وبالتالي على عدد جهود الفعل المتولدة. ^{[ 9 ]}

عندما يُحافظ على فرط استقطاب غشاء هذه الخلايا العصبية البينية عند مستوى معين، تنخفض موصلية الكالسيوم ، إن لم تُعطَّل تمامًا. ينتج عن ذلك أن استقطاب الغشاء لا يكون ضمن النطاق المناسب لحدوث نبضات مفردة، وبالتالي تحدث "انفجارات". لذا، فإن جهد ما بعد المشبك طويل الأمد يعتمد على موصلية الكالسيوم. ^{[ 10 ]}

يحتوي الجسم المخطط ، وهو نواة في العقد القاعدية ، على خلايا عصبية بينية ذات عتبة منخفضة. تؤدي العقد القاعدية وظائف متعددة، تشمل التحكم الحركي اللاإرادي، والعواطف، والإدراك. تُنتج هذه الخلايا العصبية البينية أكسيد النيتريك، وتتأثر بالناقلات العصبية، وتحديدًا السيروتونين ، الذي يُفرز من جذع الدماغ . يعمل السيروتونين على تثبيط هذه الخلايا العصبية البينية. دُرست هذه الظاهرة باستخدام فئران معدلة وراثيًا، حيث تم وسم الخلايا العصبية البينية المنتجة لأكسيد النيتريك باللون الأخضر باستخدام البروتين الفلوري الأخضر (GFP). يرتبط السيروتونين بمستقبلات السيروتونين على الخلية العصبية البينية (5-HT2c)، مما يزيد من توصيل البوتاسيوم، وبالتالي يقلل من استثارة الخلية العصبية. ^{[ 11 ]}

لقد ثبت أن سعة جهد الفعل طويل الأمد (LTS) ترتبط ارتباطًا مباشرًا بحجم تيار الكالسيوم العابر (Ca2 ⁺⁾ الذي يُشكل أساس هذا الجهد في بعض الخلايا العصبية. ويحدث هذا الجهد نتيجةً لمزيج من فرط استقطاب الغشاء، أو تعطيل قنوات الكالسيوم ^، بالإضافة إلى إشارة استقطابية فوق العتبة. ولذلك، تعتمد سعة جهد الفعل طويل الأمد ^بشكل أساسي على مستوى فرط استقطاب الغشاء السابق وعلى الإشارة الاستقطابية.

مع ذلك، فقد ثبت أن إشارات LTS هي أحداث إما أن تحدث بالكامل أو لا تحدث على الإطلاق نظرًا لطبيعتها التجديدية. وكما هو الحال مع كمونات الفعل التي تليها، فإن إشارات LTS لا تتغير كثيرًا في السعة أو الشكل عند جهود التثبيت المختلفة. وهذا يعني أن المدخلات المزيلة للاستقطاب فوق العتبة لا تؤثر على السعة، وإنما تساهم فقط في التنشيط الأولي لإشارات LTS. وتحدد كمية إزالة التثبيط موصلية قنوات الكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ ، وهي العامل الرئيسي الذي يساهم في سعة إشارات LTS. وقد أشير أيضًا إلى أن نشاط قنوات البوتاسيوم (K+) ذات التقويم المتأخر يمكن أن يؤثر على سعة إشارات LTS. ولذلك، يُعتقد أن إطلاق النبضات الناتج عن إشارات LTS يُستخدم كإشارة تشغيل/إيقاف، على عكس إطلاق النبضات المستمر الذي يكون متدرجًا وأكثر استجابة لشدة المدخلات المزيلة للاستقطاب. ^{[ 10 ]}

زمن كمون الاستجابة طويلة المدى (LTS) هو الفترة الزمنية بين نبضة إزالة الاستقطاب وذروتها. وقد ثبت أنه على عكس السعة ، يتأثر زمن الكمون بشكل مباشر بحجم تيار إزالة الاستقطاب الأولي. وينتج هذا عن التفاعل بين الاستجابة الأومية الخارجية الأولية، وهي تسرب أيونات البوتاسيوم (K+) من الخلية استجابةً لتغير جهد الغشاء ، والفتح والإغلاق المعتمدين على الجهد لقنوات الكالسيوم من النوع T.

يقل زمن الكمون مع زيادة تيار إزالة الاستقطاب، الذي يتجاوز التيار الأومي الخارجي ويزيل استقطاب الغشاء بسرعة أكبر. وهذا بدوره يُنشّط النمو الأسي لارتفاع أيونات الكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ بسرعة أكبر . ويحدث هذا الانخفاض بشكل حاد مع تيارات إزالة الاستقطاب الأقرب إلى العتبة، وبشكل تدريجي مع زيادة حقن التيار بعد تجاوز العتبة. ولا يمكن تقليل زمن الكمون أكثر من ذلك بعد تيار إزالة استقطاب معين، ويصبح شبه منتظم مع أي تيار أكبر. وقد أدى هذا إلى فرضية مفادها أن إشارات الانفجار الناتجة عن التحفيز طويل الأمد (LTS) مع مدخلات تنشيط أقوى تكون أكثر استقرارًا من التحفيز طويل الأمد الناتج عن مدخلات تنشيط قريبة من العتبة. ^{[ 10 ]}

يُعدّ المهاد مسؤولاً عن نقل الإشارات الحسية والحركية إلى القشرة المخية . ولذلك، أُجريت العديد من الأبحاث حول النبضات العصبية منخفضة العتبة في خلايا المهاد، وكيفية ارتباطها بمرض باركنسون وما يصاحبه من فقدان للوظائف الحركية. ويُلاحظ تحسّن في حالة بطء الحركة، كما هو الحال في مرض باركنسون، عند إجراء قطع المهاد الإنسي ؛ مما يُشير إلى أن سببها هو تداخل النبضات العصبية المهادية منخفضة العتبة مع وظائف القشرة المخية. ^{[ 14 ]}

وُجد أن موجات التحفيز طويلة المدى (LTS) تحدث في المهاد الجانبي البشري أثناء النوم؛ إلا أنها تتلاشى بمجرد استيقاظ المريض. وتشير أنشطة التحفيز غير الطبيعية التي لوحظت لدى مرضى باركنسون الواعين إلى وجود علاقة بين الحالة السريرية وهذا النشاط العصبي. ^{[ 15 ]}