جهد العتبة

📅 آخر تحديث: ١٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
أ. يوضح رسم تخطيطي لجهد الفعل المثالي مراحله المختلفة أثناء مرور جهد الفعل بنقطة على غشاء الخلية . ب. غالبًا ما تكون التسجيلات الفعلية لجهود الفعل مشوهة مقارنةً بالرسم التخطيطي بسبب الاختلافات في التقنيات الفيزيولوجية الكهربائية المستخدمة في التسجيل.

في علم وظائف الأعضاء الكهربائية ، يُعرف جهد العتبة بأنه المستوى الحرج الذي يجب أن يصل إليه جهد غشاء الخلية لإزالة الاستقطاب لبدء جهد الفعل . وفي علم الأعصاب ، تُعد جهود العتبة ضرورية لتنظيم ونقل الإشارات في كل من الجهاز العصبي المركزي والجهاز العصبي المحيطي .

في أغلب الأحيان، يكون جهد العتبة قيمة جهد غشائي تتراوح بين -50 و-55 ملي فولت ، [ 1 ] ولكنه قد يختلف تبعًا لعدة عوامل. يمكن تغيير جهد غشاء الراحة للعصبون (-70 ملي فولت) لزيادة أو تقليل احتمالية بلوغ العتبة عبر أيونات الصوديوم والبوتاسيوم . يؤدي تدفق الصوديوم إلى داخل الخلية عبر قنوات الصوديوم المفتوحة ذات البوابات الفولتية إلى إزالة استقطاب الغشاء متجاوزًا العتبة، وبالتالي تحفيزه، بينما يؤدي تدفق البوتاسيوم إلى الخارج أو تدفق الكلوريد إلى داخل الخلية إلى فرط استقطابها، وبالتالي منع بلوغ العتبة.

اكتشاف

تمحورت التجارب الأولية حول فكرة أن أي تغيير كهربائي يحدث في الخلايا العصبية لا بد أن يتم بفعل الأيونات. وقد طبق الكيميائي الفيزيائي الألماني فالتر نيرنست هذه الفكرة في تجاربه لاكتشاف استثارة الجهاز العصبي، وخلص إلى أن عملية الاستثارة الموضعية عبر غشاء شبه منفذ تعتمد على تركيز الأيونات. كما تبين أن تركيز الأيونات هو العامل المحدد للاستثارة. فإذا تم الوصول إلى التركيز المناسب للأيونات، ستحدث الاستثارة حتمًا. [ 2 ] وكان هذا هو الأساس لاكتشاف قيمة العتبة.

إلى جانب إعادة بناء جهد الفعل في خمسينيات القرن الماضي، تمكن آلان لويد هودجكين وأندرو هكسلي من تحديد آلية عتبة الإثارة تجريبيًا، والمعروفة بنموذج هودجكين-هكسلي . باستخدام تقنيات تثبيت الجهد على محور عصبي عملاق في الحبار ، اكتشفا أن الأنسجة القابلة للإثارة تُظهر عمومًا ظاهرة ضرورة بلوغ جهد غشائي معين لإطلاق جهد الفعل. ولأن التجربة أسفرت عن نتائج من خلال ملاحظة تغيرات الموصلية الأيونية، استخدم هودجكين وهكسلي هذه المصطلحات لمناقشة جهد العتبة. اقترحا في البداية وجود انقطاع في موصلية الصوديوم أو البوتاسيوم، لكن في الواقع، تميل كلتا الموصليتين إلى التغير بسلاسة مع تغير جهد الغشاء. [ 3 ]

سرعان ما اكتشفوا أنه عند جهد العتبة، يتساوى تيار أيونات الصوديوم والبوتاسيوم الداخل والخارج تمامًا، ويكونان متعاكسين. وعلى عكس جهد غشاء الراحة ، تُظهر ظروف جهد العتبة توازنًا غير مستقر للتيارات. ويشير عدم الاستقرار إلى أن أي استقطاب إضافي يُنشّط المزيد من قنوات الصوديوم ذات البوابات الفولتية، ويتغلب تيار الصوديوم الداخل المُزيل للاستقطاب على تيار البوتاسيوم الخارج المتأخر. [ 4 ] أما عند مستوى الراحة، فيتساوى تيار البوتاسيوم والصوديوم ويتعاكسان بشكل مستقر، حيث لا يُفترض أن ينتج تدفق مفاجئ ومستمر للأيونات. والأساس هو أنه عند مستوى معين من الاستقطاب، عندما يتساوى التياران ويتعاكسان بشكل غير مستقر، فإن أي دخول إضافي للشحنة الموجبة يُولّد جهد فعل. وتُعرف هذه القيمة المحددة للاستقطاب (بالمللي فولت) بجهد العتبة.

الوظيفة والخصائص الفسيولوجية

تتحكم قيمة العتبة في ما إذا كانت المحفزات الواردة كافية لتوليد جهد فعل أم لا. وتعتمد هذه القيمة على توازن بين المحفزات التثبيطية والتنشيطية الواردة. وتكون الجهود الناتجة عن المحفزات تراكمية، وقد تصل إلى قيمة العتبة تبعًا لترددها وسعتها. يتطلب الأداء الطبيعي للجهاز العصبي المركزي تجميع المدخلات المشبكية التي تصل في الغالب إلى التفرعات الشجرية للعصبون. تصل هذه الجهود المتدرجة الموضعية، المرتبطة أساسًا بالمحفزات الخارجية، إلى القطعة الأولية للمحور العصبي وتتراكم حتى تصل إلى قيمة العتبة. [ 5 ] كلما زاد المحفز، زاد الاستقطاب ، أو محاولة الوصول إلى قيمة العتبة. تتطلب عملية إزالة الاستقطاب عدة خطوات رئيسية تعتمد على العوامل التشريحية للخلية. وتعتمد موصلية الأيونات على جهد الغشاء، وكذلك على الوقت المنقضي بعد تغير جهد الغشاء. [ 6 ]

جهد غشاء الراحة

تُعدّ الطبقة الثنائية من الفوسفوليبيدات في غشاء الخلية ، في حد ذاتها، غير منفذة للأيونات. يتضمن التركيب الكامل لغشاء الخلية العديد من البروتينات المدمجة في الطبقة الثنائية للدهون أو التي تعبرها بالكامل. تسمح بعض هذه البروتينات بمرور الأيونات بشكل انتقائي للغاية، وهي قنوات الأيونات . تسمح قنوات تسرب البوتاسيوم بتدفق البوتاسيوم عبر الغشاء استجابةً لاختلاف تركيز البوتاسيوم داخل الخلية (تركيز عالٍ) وخارجها (تركيز منخفض). يؤدي فقدان الشحنات الموجبة (+) لأيونات البوتاسيوم (K+) من داخل الخلية إلى جهد سالب هناك مقارنةً بالسطح الخارجي للغشاء. [ 7 ] يؤدي "تسرب" أقل بكثير للصوديوم (Na+) إلى داخل الخلية إلى أن يكون جهد الراحة الفعلي، حوالي  -70 ملي فولت، أقل سلبية من الجهد المحسوب للبوتاسيوم وحده، وهو جهد التوازن، حوالي  -90 ملي فولت. [ 7 ] إن إنزيم الصوديوم والبوتاسيوم ATPase هو ناقل نشط داخل الغشاء يقوم بضخ البوتاسيوم (أيونين) مرة أخرى إلى الخلية والصوديوم (3 أيونات) خارج الخلية، مما يحافظ على تركيزات كلا الأيونين بالإضافة إلى الحفاظ على استقطاب الجهد.

إزالة الاستقطاب

مع ذلك، بمجرد أن يُحفز مُنبه قنوات الصوديوم ذات البوابات الفولتية، تتدفق أيونات الصوديوم الموجبة إلى داخل الخلية، ويرتفع الجهد. يمكن أيضًا بدء هذه العملية بارتباط الليجاند أو الناقل العصبي بقناة ذات بوابة ليجاند . يتواجد المزيد من الصوديوم خارج الخلية مقارنةً بداخلها، وتدفع الشحنة الموجبة داخل الخلية تدفق أيونات البوتاسيوم إلى الخارج عبر قنوات البوتاسيوم ذات البوابات الفولتية ذات التقويم المتأخر. نظرًا لتأخر قنوات البوتاسيوم داخل غشاء الخلية، فإن أي دخول إضافي للصوديوم يُنشط المزيد من قنوات الصوديوم ذات البوابات الفولتية. يؤدي إزالة الاستقطاب فوق العتبة إلى زيادة في موصلية الصوديوم تكفي لتغلب حركة الصوديوم الداخلة على حركة البوتاسيوم الخارجة فورًا. [ 3 ] إذا لم يصل تدفق أيونات الصوديوم إلى العتبة، فلن تزداد موصلية الصوديوم بالقدر الكافي لتجاوز موصلية البوتاسيوم في حالة الراحة. في هذه الحالة، تُلاحظ تذبذبات جهد الغشاء دون العتبة في بعض أنواع الخلايا العصبية. في حال نجاح هذه العملية، يؤدي التدفق المفاجئ للشحنة الموجبة إلى إزالة استقطاب الغشاء، ويتأخر البوتاسيوم في إعادة استقطاب الخلية، أو ما يُعرف بفرط الاستقطاب. أما تدفق الصوديوم فيزيل استقطاب الخلية في محاولة منه لتحقيق جهد التوازن الخاص به (حوالي +52 ملي فولت) لجعل داخل الخلية أكثر إيجابية مقارنةً بخارجها.

الاختلافات

تتفاوت قيمة العتبة تبعًا لعوامل عديدة. فالتغيرات في موصلية أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم قد تؤدي إلى ارتفاع أو انخفاض قيمة العتبة. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر قطر المحور العصبي، وكثافة قنوات الصوديوم المُفعلة بالجهد، وخصائص قنوات الصوديوم داخل المحور العصبي، جميعها على قيمة العتبة. [ 8 ] عادةً ما توجد في المحور العصبي أو التغصنات إشارات صغيرة مزيلة للاستقطاب أو مفرطة الاستقطاب ناتجة عن مُحفز سابق. ويعتمد الانتشار السلبي لهذه الإشارات على الخصائص الكهربائية السلبية للخلية. ولا يمكن للإشارات أن تستمر على طول العصبون لتُسبب جهد فعل في أجزاء أخرى منه إلا إذا كانت قوية بما يكفي لتجاوز مقاومة غشاء الخلية وسعته. فعلى سبيل المثال، يحتوي العصبون ذو القطر الكبير على قنوات أيونية أكثر في غشائه من الخلية الأصغر، مما يؤدي إلى مقاومة أقل لتدفق التيار الأيوني. وينتشر التيار بشكل أسرع في الخلية ذات المقاومة الأقل، ويكون أكثر عرضة للوصول إلى العتبة في أجزاء أخرى من العصبون. [ 3 ]

أظهرت التجارب أن جهد العتبة يتكيف مع التغيرات البطيئة في خصائص الإدخال من خلال تنظيم كثافة قنوات الصوديوم، بالإضافة إلى تعطيل هذه القنوات بشكل عام. ويؤدي فرط الاستقطاب الناتج عن قنوات البوتاسيوم ذات التقويم المتأخر إلى فترة مقاومة نسبية تجعل الوصول إلى العتبة أكثر صعوبة. وتُعد قنوات البوتاسيوم ذات التقويم المتأخر مسؤولة عن المرحلة الخارجية المتأخرة من جهد الفعل، حيث تُفتح عند جهد تحفيز مختلف مقارنةً بقنوات الصوديوم سريعة التنشيط. وهي تُصحح، أو تُعيد توازن الأيونات عبر الغشاء عن طريق الفتح والسماح للبوتاسيوم بالتدفق وفقًا لتدرج تركيزه من داخل الخلية إلى خارجها. كما أنها تُغلق ببطء، مما يؤدي إلى تدفق خارجي للشحنة الموجبة يتجاوز التوازن اللازم. وينتج عن ذلك زيادة في الشحنة السالبة داخل الخلية، مما يتطلب تحفيزًا قويًا للغاية وما يتبعه من إزالة استقطاب لإحداث استجابة.

تقنيات التتبع

تختبر تقنيات تتبع العتبة استثارة الأعصاب، وتعتمد على خصائص أغشية المحاور العصبية ومواقع التحفيز. وهي شديدة الحساسية لجهد الغشاء والتغيرات فيه. يمكن لهذه الاختبارات قياس ومقارنة عتبة التحكم (أو عتبة الراحة) بعتبة ناتجة عن تغير في البيئة، أو عن نبضة مفردة سابقة، أو سلسلة نبضات، أو تيار دون العتبة. [ 9 ] يمكن أن يشير قياس التغيرات في العتبة إلى تغيرات في جهد الغشاء، وخصائص المحاور العصبية، و/أو سلامة غمد الميالين .

تتيح تقنية تتبع العتبة تعديل قوة التحفيز التجريبي بواسطة الحاسوب لتنشيط جزء محدد من أقصى جهد عصبي أو عضلي. تتكون تجربة تتبع العتبة من تطبيق تحفيز مدته 1 مللي ثانية على عصب على فترات منتظمة. [ 10 ] يُسجل جهد الفعل بعد النبضة المحفزة. يُخفض التحفيز تلقائيًا بخطوات بنسبة مئوية محددة حتى تنخفض الاستجابة عن القيمة المستهدفة (توليد جهد فعل). بعد ذلك، يُزاد التحفيز أو يُخفض بناءً على ما إذا كانت الاستجابة السابقة أقل أو أكبر من الاستجابة المستهدفة حتى يتم تحديد عتبة الراحة (أو عتبة التحكم). يمكن بعد ذلك تغيير استثارة العصب عن طريق تغيير بيئة العصب أو تطبيق تيارات إضافية. نظرًا لأن قيمة تيار العتبة الواحد لا توفر معلومات قيّمة تُذكر لأنها تختلف داخل الأفراد وبينهم، فإن أزواج قياسات العتبة، التي تقارن عتبة التحكم بالعتبات الناتجة عن فترة الامتناع، أو فرط الطبيعية، أو ثابت الزمن لقوة التحفيز ومدته، أو "التوتر الكهربائي العتبي"، تُعد أكثر فائدة في الدراسات العلمية والسريرية. [ 11 ]

يتميز تتبع العتبة بمزايا عديدة مقارنةً بتقنيات الفيزيولوجيا الكهربائية الأخرى ، مثل طريقة التحفيز الثابت. إذ تتيح هذه التقنية تتبع تغيرات العتبة ضمن نطاق ديناميكي يصل إلى 200%، وتوفر عمومًا فهمًا أعمق لخصائص المحاور العصبية مقارنةً بالاختبارات الأخرى. [ 12 ] كما تسمح هذه التقنية بإعطاء تغيرات العتبة قيمة كمية، والتي عند تحويلها رياضيًا إلى نسبة مئوية، يمكن استخدامها لمقارنة تحضيرات الألياف المفردة والمتعددة، ومواقع الخلايا العصبية المختلفة، واستثارة الأعصاب في أنواع مختلفة. [ 12 ]

"التوتر الكهربائي العتبي"

إحدى تقنيات تتبع العتبة المحددة هي تقنية التوتر الكهربائي العتبي ، والتي تستخدم جهاز تتبع العتبة لإنتاج تيارات استقطابية أو فرط استقطابية طويلة الأمد دون العتبة داخل الغشاء. ويمكن ملاحظة وتسجيل التغيرات في استثارة الخلية من خلال توليد هذه التيارات طويلة الأمد. ويظهر انخفاض العتبة بوضوح أثناء الاستقطاب الممتد، بينما يظهر ارتفاعها بوضوح مع فرط الاستقطاب الممتد. مع فرط الاستقطاب، تزداد مقاومة غشاء ما بين العقد نتيجةً لإغلاق قنوات البوتاسيوم، مما يؤدي إلى تمدد الرسم البياني. أما الاستقطاب فيحدث تأثيرًا معاكسًا، حيث يُفعّل قنوات البوتاسيوم، مما ينتج عنه انكماش الرسم البياني. [ 13 ]

يُعد جهد الغشاء العامل الأهم في تحديد عتبة التوتر الكهربائي، لذا يُمكن استخدام عتبة التوتر الكهربائي كمؤشر لجهد الغشاء. علاوة على ذلك، يُمكن استخدامها لتحديد خصائص الحالات الطبية الهامة من خلال مقارنة تأثيرات هذه الحالات على عتبة الجهد مع التأثيرات المُلاحظة تجريبيًا. على سبيل المثال، يُسبب كل من نقص التروية وإزالة الاستقطاب نفس تأثير "التوسع" في أشكال موجات التوتر الكهربائي. تُؤدي هذه الملاحظة إلى استنتاج مفاده أن نقص التروية قد ينتج عن فرط تنشيط قنوات البوتاسيوم. [ 14 ]

الأهمية السريرية

وقد تم تحديد دور جهد العتبة في سياق سريري، وتحديداً في عمل الجهاز العصبي نفسه وكذلك في الجهاز القلبي الوعائي.

نوبات الحمى

النوبة الحموية ، أو "نوبة الحمى"، هي تشنجات مصحوبة بارتفاع ملحوظ في درجة حرارة الجسم ، وتحدث غالباً في مرحلة الطفولة المبكرة. وترتبط النوبات الحموية المتكررة في مرحلة الطفولة بزيادة خطر الإصابة بصرع الفص الصدغي في مرحلة البلوغ. [ 15 ]

باستخدام تقنية التسجيل بالتثبيت الموضعي ، تم استنساخ حالة مماثلة في المختبر في خلايا عصبية قشرية للفئران بعد تحفيز ارتفاع درجة حرارة الجسم؛ ولوحظ انخفاض ملحوظ في جهد العتبة. ويُحتمل أن آلية هذا الانخفاض تتضمن كبح التثبيط الذي يتوسطه مستقبل GABA B مع التعرض المفرط للحرارة. [ 15 ]

التصلب الجانبي الضموري ومرض السكري

لوحظت اضطرابات في استثارة الخلايا العصبية لدى مرضى التصلب الجانبي الضموري ومرضى السكري . ورغم اختلاف الآلية المسؤولة عن هذا التباين بين الحالتين، إلا أن الاختبارات التي تُجرى عبر الاستجابة لنقص التروية تشير، ويا ​​للمفارقة، إلى مقاومة مماثلة لنقص التروية وما ينتج عنه من تنميل. وبما أن نقص التروية يحدث نتيجة تثبيط مضخة الصوديوم والبوتاسيوم، فإن اضطرابات جهد العتبة تُعدّ عاملاً مؤثراً. [ 12 ]

عدم انتظام ضربات القلب

منذ أربعينيات القرن العشرين، ترسخ مفهوم إزالة الاستقطاب الانبساطي، أو ما يُعرف بـ" جهد منظم ضربات القلب "؛ وتُعد هذه الآلية سمة مميزة لأنسجة القلب. [ 16 ] عند بلوغ العتبة وإطلاق جهد الفعل الناتج، ينتج عن التفاعلات نبضة قلب؛ إلا أنه عندما تحدث هذه النبضة في وقت غير منتظم، قد ينتج عن ذلك حالة خطيرة تُعرف باضطراب النظم القلبي .

استخدام الأدوية

قد تُسبب بعض الأدوية إطالة فترة QT كأثر جانبي. وتنتج هذه الإطالة عن تأخر في تعطيل قنوات الصوديوم والكالسيوم ؛ فبدون تعطيل القنوات بشكل صحيح، يتم الوصول إلى جهد العتبة قبل الأوان، مما يؤدي إلى اضطراب النظم القلبي. [ 17 ] تشمل هذه الأدوية، المعروفة باسم العوامل المُسببة لاضطراب النظم، مضادات الميكروبات، ومضادات الذهان، والميثادون، ومن المفارقات، مضادات اضطراب النظم . [ 18 ] يكثر استخدام هذه الأدوية في وحدات العناية المركزة، ويجب توخي الحذر الشديد عند إطالة فترة QT لدى هؤلاء المرضى: تشمل اضطرابات النظم الناتجة عن إطالة فترة QT، تورساد دي بوانت (TdP)، وهو مرض قد يكون مميتًا. [ 17 ]

دور النظام الغذائي

قد يكون النظام الغذائي عاملاً مؤثراً في خطر الإصابة باضطراب النظم القلبي. تلعب الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة ، الموجودة في زيوت الأسماك والعديد من الزيوت النباتية، [ 19 ] دوراً في الوقاية من اضطرابات النظم القلبي. [ 20 ] من خلال تثبيط تيار الصوديوم المعتمد على الجهد، تعمل هذه الزيوت على رفع جهد العتبة إلى قيمة أكثر إيجابية؛ وبالتالي، يتطلب جهد الفعل زيادة في إزالة الاستقطاب. [ 20 ] لا يزال الاستخدام العلاجي السريري لهذه المستخلصات قيد البحث، ولكن ثمة ارتباط قوي بين الاستهلاك المنتظم لزيت السمك وانخفاض معدل دخول المستشفى بسبب الرجفان الأذيني، وهو اضطراب نظم قلبي حاد ومتزايد الانتشار. [ 21 ]

ملحوظات

مراجع