생리학교실 호원경 의과학과 신경생리학 원론 Electrical Signaling of Neurons II

Action potential is generated when stimulus exceed threshold threshold Repetitive firing of AP is induced by long stimulus Resting Membrane Potential (RMP) 300 pA for 1 s 500 pA for 1 s AP parameters: amplitude duration

Different types of action potentials recorded in excitable cells

Various firing patterns Tonic firing Delayed firing Initial bursting Single spike Spontaneous firing (recorded in deep dorsal horn neurons)

3-5. 세포막의 능동적 전기성질 (2) – 활동전압 흥분성세포에 단계적으로 전류를 주입하면 처음엔 RC 회로에서 예상되는 단계적 반응인 electrotonic potential 만 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 upstroke 가 regenerative 하게 또는 자동적으로 발생 : 지나치기전압 (overshoot). Figure 26 신경세포자극에 의한 활동전압 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 phase 동안 세포막 전압이 0 를 넘어 +30 ～ +50 mV 까지 이름. 활동전압의 (+) 부분은 활동전압의 이온기전 발견에 큰 단서가 되었음.

3-5-1) 활동전압의 Na 가설 현재 밝혀진 흥분성 세포에 대한 연구는 1936 년 Young 에 의하여 발견된 오징어 거대축삭돌기에서 시작 ( 그림 30). Figure 30 오징어 (Loligo) 거대축삭돌기 ( 왼쪽 ) 와 그안에 삽입된 기록 전극의 모양 ( 오른쪽 ). 맨 처음 거대축삭돌기에서 얻어진 실험 결과는 Woodshole 의 Cole 과 Curtis 그리고 Plymouth 의 Hodgkin 과 Huxley 에 의하여 독 립적으로 발표됨. Cole 과 Curtis 는 활동전압이 일어나는 동안 막 capacitance 에는 아무런 변화없이 막전도도의 증가가 발생함을 증명하였고, Hodgkin 과 Huxley 는 활동전압이 단지 0 mV 에 접근하는 것이 아니고 역전되어감을 발견 ( 그림 31). Figure 31 활동전압기록을 위한 실험장치 (A) 와 기록된 활동전압 (B).

Hodgkin & Huxley 의 발견 : Evidence supporting Na-hypothesis 1) Overshoot: close to E Na cf. Bernstein’s membrane theory: 활동전압이란 세포막의 투과성이 비선택적으로 증가 하여 세포막전압의 분극 (polarization) 을 잃어버리는 것이라는 가설 2) Replacement of outside Na + with choline + -> AP peak is close to E Na. Figure 32 Na+ 농도감소에 따른 활동전압의 변화 년 Hodgkin 과 Katz 에 의하여 최초로 Na+ 이 활동전압에 필 요함을 밝힌 실험결과.

Voltage clamp experiments 1) I m = I C + I R = C m  dV/dt + I ion 2) V 가 변동하는 상황에서는 I ion 을 구별할 수 없음 3) dV/dt  0 by voltage clamp, - I c 제거 가능, I ion 만을 볼 수 있다. - 일정한 막전압에서 시간에 따른 변화를 볼 수 있다. Figure 33 막전압고정 실험. 과분극 자극에는 거의 전류변 화가 없으나 저분극 자극에 의해 처음에는 내향전류, 뒤이 어 외향전류가 발생한다. Figure 25 막전압고정 실험장치

Figure 35 약물에 의한 Na 전류와 K 전류의 분리 Figure 34 이온대치실험에 의한 Na 전류와 K 전류의 분리 Dissection of membrane currents Na- 전류는 gNa 와 V m -E Na 에 의하여 결정. 따라서 어떤 일정한 저분극 pulse 기간 동안 (Vm-ENa= 일정 ) 에 나타나 는 Na- 전류의 시간경과는 저분극에 의하여 나타나는 gNa 증가의 시간경과를 나타냄. gNa 는 막전압이 저분극 상태를 계속 유지하여도 1 ms 에 최대값을 보이고 곧 안정상태의 값으로 감소 : 저분극 에 의한 활성화 (activation) 현상과, 곧 이어서 나타나는 비활성화 (inactivation) 과정. tetrodotoxin Na 통로를 선택적으로 차단 tetraethylammonium 전압의존성 K 전류 차단

전류 - 전압 곡선 (I-V curve) outward current inward current Figure 36 Na 전류와 K 전류의 전류 - 전압곡선 (I-V curve). E H : 저분극펄스주기전 유지전압 저분극 pulse 에 의해 기록되는 내향전류의 크기는 막전압에 따라 크게 달라짐. 어느 값까지는 iNa 가 증가하나 그 이상의 전압에서는 오히려 감소하여 Na 전류의 I-V curve 는 U 자형 K 전류는 저분극의 크기가 커질수록 계속 증가 steady state current peak current

G K = I K /(E-E K )G Na = I Na /(E-E Na ) Kinetic analysis of conductance changes

Na 전류의 I-V curve 와 활성화 곡선 : 채널의 voltage dependence 표시 Na 전류 = gNa* (=V m  E na ) gNa = iNa/(V m  E Na ) 로 부터 Na 채널 활성화정도인 gNa 를 계산 Vm 이 ENa 에 가까워지면 gNa 가 크다 해도 iNa 가 감소하게 되고 Vm=ENa 인 전압에서는 iNa 가 0. gNa 는 막전압의 저분극 정도가 증가함에 따라 증가하고 약 100 mV pulse 에서 plateau 를 나타냄. activation curve

Na 전류 비활성화의 voltage dependence: inactivartion curve Figure 40 Na 전류의 비활성화 곡선 inactivation curve

I V Analysis of conductance changes V1V1 V0V0 V0V0 dn/dt =  (1-n) –  n CloseOpen  (V)  (V) 1-n n upon opening (activation); n(v 0,t) = n  exp(-t/  n ), where upon closing (deactivation); n(v 1,t) = n  (1-exp(-t/  n ))  n = 1/(  n +  n ) n  =  n /(  n +  n )  가 V 에 대한 함수 : Voltage-dependent channels

CloseOpen  (V)  (V) Inactivated  ’(V)  ’(V) I V CloseOpen  (V)  (V) 1-m m h availableInactivated  ’(V)  ’(V) 1-h m gate: h gate: Na- channel gating: activation and inactivation

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 Hodgkin 과 Huxley 는 n-gate 가 4 가지의 단순 지수함수적 과정이 동시에 활성화되어야, 즉 세포막에 존재하는 4 개의 분자가 구조적 변화를 일으켜야만 열리는 것으로 가정. 수학적으로는 S- 자형의 활성화 과정을 4 승함수로 생각. 따라서 어떤 막전압 변화에서 K- 전도도의 증가는 아래와 같이 표현됨. gK = gK max n 4. gK max 는 특정 막전압에서 얻어지는 최대 전도도이고 n 은 0 에서부터 1 까지 변화하는 확률적인 개념으로서 K+ 통로가 열린 상태로 존재하는 분율을 뜻함. 시간에 따라 지수함수적으로 증가하는 n 의 변화는 n=1-exp(-t/τ n ) 으로 주어지고 n 은 막전압에 따라 크기가 달라진다. τ n 도 역시 막전압에 따라 달라짐. Figure 41 Hodgkin-Huxley 가 가정한 gating parameter 의 시간에 따 른 변화 Na- 전도도 : 활성화되었다가 곧 비활성화되는 경과를 보이므로 여기서는 두 종류의 gate 를 생각하여 다음과 같이 gNa 의 변화를 기술. gNa = gNa max m 3 h gNa max 는 특정 막전압에서의 Na+ 에 대한 최대 전도도이고 m=1-exp(-t/τm) 이다. 이때 m3 은 활성화 gate 인 m-gate 가 열리기 위해서는 세포막에 존재하는 3 개의 분자가 동시에 구조적 변화를 일으켜야함을 나타내고, 비활성화 gate 인 h 는 한 분자의 변화에 의하여 개폐가 일어남을 나타냄. 비활성화 기전은 h-gate 가 단순 지수함수적으로 감소하여 생기며 이때의 닫히는 h-gate 는 h=exp (-t/τ h ) 로 쓸 수 있다.

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 Na- 전류는 K- 외향전류에 의하여 상쇄되어 버리므로 Na- 유입이 K- 유출보다 커지는 지점이 바로 역치전압이 된다. 3) 내향전류가 생겨 막전압은 더욱 저분극된다. 이러한 저분극은 Hodgkin cycle 에 의하여 regenerative 하게 증가하여 upstroke 현상이 일어난다. 4) 막전압이 ENa 값에 가까와지면 Na+ 에 대한 emf 가 감소하여 막전압의 변화속도가 줄고 마침내 peak 에 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 emf 에 의하여 세포밖으로 유출된다. 이 유출이 재분극을 촉진시킨다 Figure 42 안정시와 저분극 자극후 보이는 Na- 통로와 K- 통로의 gate 의 개폐 상태. Figure 43 활동전압 (V) 을 막전도도 gNa 와 gK 로서 재구성한 그림. Hodgkin-Huxley 이론식으로부터 simulation 하여 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

I Na IKIK I background

Hodgkin cycle 저분극에 의하여 나타나는 gNa 의 증가는 all-or-none 원칙에 의하여 regenerative 하게 발생하 는 활동전압의 특성을 설명 저분극 pulse 자극에 의하여 gNa 는 증가하고 그 결과 Na+ 의 세포내 유입이 일어남. Na+ 의 유입은 세포막전압을 더욱 저분극시키고 이러한 저분극은 더욱 gNa 를 증가시켜 iNa 를 증가시킴 : 이러한 막전압과 gNa 사이의 positive feedback 관계를 Hodgkin cycle 이라 부름. 이와 같은 Hodgkin cycle 결과 활동전압은 역치 이상에서 all 로 반응하는 regenerative 한 특성 을 나타냄.

활동전압의 최고값에서 K + 은 세포밖으로 나오려는 emf 가 커지고 K 통로가 열리면 K + 이 세포 밖으로 빠져 나와 막전압을 끌어 내려서 E K 에 가까운 안정막전압으로 재분극 된다. K- 통로는 Na- 통로와는 달리 비활성화 현상이 없고 Na- 통로 와 마찬가지로 저분극에 의하여 열리지만 시간적으로 매우 느리게 열리므로 Na 의 내향전류가 나타난지 조금 후에 서서히 K- 외향전류가 나타남. inactivation 5-4) 활동전압의 재분극 기전 K+ 의 외향전류 Na 전류의 비활성화

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). Regenerative property of the AP The AP is initiated at the axon hillock and travels along the axon with no spatial decay. 활동전압의 특성 1 2

Figure 28 순응 (accommodation) - 정상적으로 300 pA 전류자 극에 의해 활동전압이 발생하지만 ( 빨간색 ) 100 pA 를 미리 흘려주 다가 같은 전류자극을 주면 활동전압이 발생하지 않는다 ( 파란색 ). Figure 29 적응 (adaptation) - 지속적인 자극에 의하여 활동전압의 빈도가 감소하는 현상 Figure 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

Ion Channels

Na + channel TTX h-gate

Na V 1.1 – 1.3: CNS, PNS, embryonic(1.3) Na V 1.4: skeletal m. Na V 1.5: heart m. Na V 1.6: CNS, PNS, node of Ranvier, glia Na V 1.7: PNS Schwann cell Na V : PNS Na x : heart, uterus, smooth m., glia TTX-resistant: underlined Expressed in DRG: 1.1, Na + -channel  subunits

AP generation at axon hillock : low threshold region

Figure 1 Polarized distribution of Na+ channel subtypes.

direct electrophysiological evidence for the highly clustered distribution of Na+ channels at the AIS Figure 2 Estimates of Na+ channel density at the soma and the axon with outside-out patch recording.

Na+ channels in the distal AIS and axon: activation threshold of ± 0.8 mV and complete activation at around -20mV the half-activation voltages (V1/2): ± 1.3 mV. Somatic Na+ channels: activation threshold of 42.7 ± 1.1 mV and complete activation at -10 to 5 mV. V1/ ± 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 Na V 1.6 positively shifts I NaT activation Absence of Na V 1.6 (Scn8) reduces the persistent Na current (I NaP )

Calcium Channels

Pre-synaptic nerve terminal High voltage activated Low voltage activated

Schematic representation of the three groups of K + channel principal subunits KCNQ

Voltage-dependent K currents (Kv) comprise of multiple components Delayed rectifier (I Kdr ) with various kinetics Transient outward (I to ) Outward K+ current recordings from neurons do now show uniform characteristics.

Functional classification of voltage-gated potassium currents Kv family

Overview of electrical signaling of neuron Synapse presynaptic AP postsynaptic potential: excitatory or inhibitory (EPSP or IPSP) subthreshold response or propagating AP Axon hillock electrotonic conduction all or none propagation to axon terminals AP can be backpropageted to dendrites, due to the presence of voltage- gated ion channels in dendrites. Backpropagating AP induces Ca 2+ signals and regulates integrative properties of dendrites. Dendritic ion channels are also important for integration of synaptic inputs and regulation of synaptic plasticity. backpropagating AP

Ion channels in dendrites

Distal dendrite Apical dendrite Soma Axon initial segment Basal dendrite Axon terminals sub-threshold EPSP dendritic spike propagation Neuron: soma and neurites (dendrites and axon) dendrite: receiving information / axon: propagating information

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) 346.3/  m2 in Ranvier node 186.9/  m2 in AIS 5/  m2 in somata and apical den. Nav1.6

Magee et al., 1999

HCN channels in dendrites ZD7288: HCN channel blocker

synaptic non-synaptic or intrinsic plasticity Synaptic plasticity vs Intrinsic plasticity

VmVm I High R in Low R in Synaptic current

Overview of electrical signaling of neuron Synapse presynaptic AP postsynaptic potential: excitatory or inhibitory (EPSP or IPSP) subthreshold response or propagating AP Axon hillock electrotonic conduction all or none propagation to axon terminals 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 property 라 함. 축삭돌기에서는 세포막의 저항 r m 과 capacitance c m 에 따라 국소 전류회로를 이루어 전도된다. 일정한 전류를 한 지점에 흘렸을 경우 길이에 따라 전압이 지수함수적인 감소를 보이는 것을 다음과 같이 표현 따라서 x=λ 인 점에서 기록되는 전위차는 V( ) = V(0) e -1 = 0.37 V(0) 이다. 즉 λ 는 초기전압의 63% 가 감소되는 거리를 뜻하고, 축삭돌기 속을 따라 전도되는 전류는 r m 이 크거나 r i 가 작을 때 더 멀리까지 전달될 수 있음을 알 수 있다. Figure 46 신경섬유에서 electrotonic potential 의 거 리에 따른 변화 V(x) = V(0) exp(-x/λ ) λ (length constant) = r m /(r i +r o )) 1/2 axon 의 굵기가 클수록 r i 작아지고, 막의 절 연도가 클수록 r o 가 증가하여 가 커져 전도 속도가 빠름

AP propagation along the axon - local circuit (cable property) - regenerative electrical property 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 regenerative 한 활동전압이 발생. 이 전압이 다시 근처 세포막으로 전도되어 막전압을 저분극시키고 Na- 전도도가 증가된다. 거기에서 다시 regenerative 한 활동전압이 일어나 그 다음 지역으로 전도.

Saltatory Conduction Action potentials in myelinated nerves are regenerated at the nodes of Ranvier

There are three stages (thresholds) in the integration of top-down 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.