หนามแหลมที่มีเกณฑ์ต่ำ
สัญญาณกระตุ้นระดับต่ำ (Low-threshold spikes , LTS) หมายถึงการลดลงของศักย์ไฟฟ้า ของเยื่อหุ้มเซลล์ ที่เกิดจากช่องแคลเซียมชนิด T LTS เกิดขึ้นที่ระดับศักย์ ไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ต่ำและเป็นลบ มักเกิดขึ้นหลังจากเยื่อหุ้มเซลล์ มีศักย์ ไฟฟ้าสูงขึ้น ซึ่งอาจเป็นผลมาจากการลดลงของความตื่นตัวหรือการเพิ่มขึ้นของการยับยั้ง LTS ส่งผลให้เซลล์ประสาทถึงระดับเกณฑ์สำหรับการเกิดศักย์ไฟฟ้า กระตุ้น LTS เป็นการลดลงของศักย์ไฟฟ้าขนาดใหญ่เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของการนำไฟฟ้าของ Ca²⁺ ดังนั้น LTS จึงถูกควบคุมโดย การนำไฟฟ้า ของแคลเซียม (Ca²⁺ )โดยทั่วไปแล้ว สัญญาณกระตุ้นนี้จะมีจุดสูงสุดเป็น ชุดศักย์ไฟฟ้า กระตุ้นสองถึงเจ็ดครั้ง ซึ่งเรียกว่าชุดศักย์ไฟฟ้ากระตุ้นระดับต่ำ (low-threshold burst) LTS ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและจะถูกปิดใช้งานหากศักย์ไฟฟ้า ของเยื่อหุ้มเซลล์ขณะพัก ลดลงมากกว่า -60 mV LTS จะกลับมาทำงานหรือฟื้นตัวจากการปิดใช้งานหากเซลล์มีศักย์ไฟฟ้าสูงขึ้นและสามารถกระตุ้นได้ด้วยสัญญาณกระตุ้นที่ทำให้เกิดการลดลงของศักย์ไฟฟ้า เช่น ศักย์ไฟฟ้าหลังไซแนปส์กระตุ้น ( excitatory postsynaptic potentials , EPSP) [ 1 ] LTS ถูกค้นพบโดยRodolfo Llinásและเพื่อนร่วมงานในช่วงทศวรรษ 1980 [ 2 ] [ 3 ]
สรีรวิทยา
จังหวะ
การสร้างจังหวะในเซลล์ประสาทเกิดจากความไม่เสถียรที่เกี่ยวข้องกับศักยภาพพักความไม่เสถียรดังกล่าวสามารถอธิบายได้ด้วยคุณสมบัติของกระแสแคลเซียมที่มีเกณฑ์ต่ำ กระแสนี้จะถูกกระตุ้นที่ประมาณ −60 mV ทำให้สามารถสร้างสไปค์ที่มีเกณฑ์ต่ำที่หรือใกล้กับศักยภาพพักได้[ 4 ]
จากการค้นพบเมื่อไม่นานมานี้ พบว่าเซลล์ที่คงอยู่ในระดับไฮเปอร์โพลาไรซ์จะแสดงจังหวะภายใน ส่งผลให้เกิดพฤติกรรมการสั่นไหวแบบเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเนื่องจากการลดขั้วที่ขับเคลื่อนด้วย Ca 2+ส่งผลให้เกิดการระเบิดของสไปค์สั้นๆ หนึ่งหรือหลายครั้ง ตามด้วยไฮเปอร์โพลาไรซ์ และจากนั้นก็เกิดรีโพลาไรซ์ก่อนที่จะเกิดการระเบิดครั้งต่อไป[ 5 ]
จลนศาสตร์ LTS
การศึกษาที่ดำเนินการโดย Gutierrez et al. ได้ตรวจสอบจลนศาสตร์เบื้องหลังสไปค์ที่มีเกณฑ์ต่ำเพื่อทำความเข้าใจความสำคัญของสไปค์เหล่านี้ต่อการทำงานปกติของสมองให้ดียิ่งขึ้น จากการทดลองพบว่ากระแสไอออนิกสี่กระแสมีส่วนทำให้เกิดสไปค์ที่มีเกณฑ์ต่ำ โดยสร้างสามเฟสที่แตกต่างกันหลังจากไฮเปอร์โพลาไร เซ ชัน กระแส K+ ที่ไหลออกชั่วคราวหลังจากศักยภาพการกระทำสามารถทำให้เกิดไฮเปอร์โพลาไรเซชัน ทำให้เกิดสไปค์ที่มีเกณฑ์ต่ำได้ กระแสรั่วไหลโอห์มิกเริ่มต้นที่ประกอบด้วยไอออน K+ และ Na+ เป็นลักษณะเฉพาะของเฟสแรก ตามมาด้วยกระแส "sag" ที่กระตุ้นโดยไฮเปอร์โพลาไรเซชันซึ่งมีส่วนทำให้ศักยภาพของเยื่อหุ้มเซลล์ลดลงอย่างช้าๆ กระแส Ca2 + ที่ไหลเข้า ผ่านช่องแคลเซียมชนิด Tเป็นเฟสสุดท้าย และเป็นกระแสหลักที่รับผิดชอบต่อการลดลงของศักยภาพชั่วคราวขนาดใหญ่ กระแสนี้จะเอาชนะกระแสอื่นๆ เมื่อช่องชนิด T ถูกกระตุ้น กระแสอื่นๆ ส่วนใหญ่มีผลต่อการกระตุ้นของ LTS [ 6 ]
ช่องแคลเซียมชนิดที
ช่องแคลเซียมชนิด Tพบได้ในเซลล์ประสาททั่วทั้งสมอง ช่องเหล่านี้สร้างกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่เป็นพิเศษในเซลล์ประสาททาลามัส เซปตัม และเซลล์ประสาทรับความรู้สึก เนื่องจากช่องเหล่านี้ถูกกระตุ้นใกล้กับศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักรวมถึงการฟื้นตัวอย่างรวดเร็วจากการปิดใช้งาน ทำให้สามารถสร้างสไปค์ที่มีเกณฑ์ต่ำ ซึ่งส่งผลให้เกิดการระเบิดของศักย์ไฟฟ้าแอคชั่น
ช่อง T-type ทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมจังหวะรองในเซลล์ประสาทที่มีศักยภาพเยื่อหุ้มเซลล์ขณะพักระหว่าง -90 ถึง -70 mV เนื่องจากมีบทบาทสำคัญในการกำเนิดการยิงแบบเป็นชุดศักยภาพหลังไซแนปส์กระตุ้น (EPSP) จะเปิดช่อง ทำให้เกิด LTS ขึ้น LTS จะกระตุ้นศักยภาพการกระทำที่ขึ้นอยู่กับ Na + และกระตุ้น ช่องแคลเซียมที่เปิดใช้งานด้วยแรงดันไฟฟ้าสูง[ 7 ]
สัญญาณกระตุ้นที่มีเกณฑ์ต่ำจะทำให้เกิดการยิงแบบเป็นชุด
หลักฐานเกี่ยวกับกระแสแคลเซียมที่มีเกณฑ์ต่ำได้รับการอธิบายครั้งแรกในเซลล์ประสาทของนิวเคลียสโอลิวารีส่วนล่าง (1981) นิวเคลียสนี้สร้างกิจกรรมจังหวะที่ประสานกัน ซึ่งภายใต้เงื่อนไขบางอย่างจะแสดงออกมาเป็นอาการสั่น มีการอธิบายถึงสไปค์แคลเซียมที่มีเกณฑ์ต่ำในเซลล์ประสาทจากนิวเคลียสของสมองหลายแห่ง รวมถึงทาลามัสรีเลย์, การก่อตัวของร่างแหพอนไทน์ส่วนกลาง, ฮาเบนูลาด้านข้าง, เซปตัม, นิวเคลียสสมองน้อยส่วนลึก, CA1-CA3 ของฮิปโปแคมปัส, คอร์เทกซ์ส่วนเชื่อมโยง, นิวเคลียสพาราเวนทริคูลาร์และพรีออปติกของไฮโปทาลามัส, ดอร์ซัลราเฟ, โกลบัสพัลลิดั ส , สไตรอาตัม และนิวเคลียสซับทาลามิก
เซลล์รีเลย์ทาลามัสแสดงการตอบสนองสองประเภท โหมดการตอบสนองหนึ่งคือโหมดรีเลย์หรือโทนิก ซึ่งเซลล์จะถูกดีโพลาไรซ์และ LTS จะถูกปิดใช้งาน ซึ่งนำไปสู่การยิงศักย์ไฟฟ้าแบบโทนิก โหมดการตอบสนองที่สองคือโหมดเบิร์สต์ ซึ่งเซลล์จะถูกไฮเปอร์โพลาไรซ์และโดยทั่วไปจะตอบสนองด้วย LTS และเบิร์สต์ของศักย์ไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง[ 8 ]
โดยทั่วไป LTS ไม่สามารถถูกกระตุ้นได้ด้วยการลดศักย์ไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ประสาทจากศักย์ไฟฟ้าขณะพัก LTS จะเกิดขึ้นหลังจากมีการส่งพัลส์เพิ่มศักย์ไฟฟ้าไปยังเซลล์ประสาท ซึ่งเรียกว่า "การคืนสภาพ" และเป็นผลมาจากการที่ช่องสัญญาณฟื้นตัวจากการถูกปิดใช้งาน
LTS มักถูกกระตุ้นหลังจากศักยภาพหลังไซแนปส์ยับยั้ง (IPSP) เนื่องจากการฟื้นตัวอย่างรวดเร็วของช่องแคลเซียมชนิด T ในระหว่าง IPSP และการเปิดของช่องเหล่านั้น เมื่อศักยภาพของเยื่อหุ้มเซลล์กลับสู่สภาวะพัก
มีความสัมพันธ์อย่างมากระหว่างแอมพลิจูด LTS และจำนวนศักยภาพการกระทำที่เกิดจาก LTS มีการลดขั้วของช่อง T มากกว่าบริเวณใกล้ตำแหน่งเดนไดรต์ของตัวรับที่ถูกกระตุ้นมากกว่าที่โซมา การกระตุ้นตัวรับกลูตาเมตแบบเมตาโบโทรปิกหรือตัวรับมัสคารินิกส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบไฮเปอร์โพลาไรซ์ในความสัมพันธ์ระหว่างแอมพลิจูด LTS และศักยภาพเริ่มต้นของเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งส่งผลต่อแอมพลิจูด LTS สูงสุด นั่นหมายความว่ามีความสัมพันธ์ระหว่างแอมพลิจูด LTS และแรงดันไฟฟ้า และด้วยเหตุนี้จึงส่งผลต่อจำนวนศักยภาพการกระทำที่เกิดขึ้น[ 9 ]
LTS เกิดขึ้นผ่านการนำไฟฟ้า ของ Ca 2+
เมื่อไฮเปอร์โพลาไรเซชันของเยื่อหุ้มเซลล์ในอินเตอร์นิวรอนเหล่านี้คงอยู่ที่ระดับหนึ่งการนำไฟฟ้าของแคลเซียมจะลดลง หรืออาจถูกปิดใช้งานโดยสมบูรณ์ ส่งผลให้โพลาไรเซชันของเยื่อหุ้มเซลล์ไม่อยู่ในช่วงที่เหมาะสมสำหรับการเกิดสไปค์เดี่ยว จึงทำให้เกิด "การระเบิด" ขึ้น ดังนั้น LTS จึงขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้าของแคลเซียม[ 10 ]
การยับยั้งสไปค์ที่มีเกณฑ์ต่ำโดยเซโรโทนิน
สไตรอาตัมซึ่งเป็นนิวเคลียสในฐานสมองมีอินเตอร์นิวรอนแบบสไปค์ที่มีเกณฑ์ต่ำ ฐานสมองมีหน้าที่หลายอย่าง รวมถึงการควบคุมการเคลื่อนไหวโดยไม่ตั้งใจ อารมณ์ และการรับรู้ อินเตอร์นิวรอนเหล่านี้ผลิตไนตริกออกไซด์และถูกปรับเปลี่ยนโดยสารสื่อประสาท โดยเฉพาะเซโรโทนินซึ่งถูกปล่อยออกมาจากก้านสมองเซโรโทนินทำหน้าที่ยับยั้งอินเตอร์นิวรอนเหล่านี้ มีการศึกษาเรื่องนี้โดยใช้หนูทรานส์เจนิกซึ่งอินเตอร์นิวรอนไนตริกออกไซด์ถูกติดฉลากสีเขียวโดยใช้โปรตีนเรืองแสงสีเขียว (GFP) เซโรโทนินจับกับตัวรับเซโรโทนินบนอินเตอร์นิวรอน (5-HT2c) ซึ่งจะเพิ่มการนำไฟฟ้าของโพแทสเซียมและลดความตื่นตัวของเซลล์ประสาทในที่สุด[ 11 ]
วิจัย
งานวิจัยส่วนใหญ่เกี่ยวกับ LTS ได้ศึกษาเซลล์ของนิวเคลียสเจนิคิวเลตด้านข้างของแมว เซลล์ถ่ายทอดสัญญาณทาลามัสทั้งหมดประสบกับกระแสแคลเซียมที่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าเฉพาะเหล่านี้ และแมวได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นสัตว์ทดลองที่มีประโยชน์ในการศึกษา วิธีการควบคุมกระแสไฟฟ้าแบบต่างๆ รวมถึงการจำลองแบบจำลองได้ช่วยให้เข้าใจปรากฏการณ์นี้ในหลายแง่มุม
งานวิจัยล่าสุดยังได้ดำเนินการเกี่ยวกับช่องแคลเซียมชนิด T และการปรับเปลี่ยนช่องเหล่านี้อาจช่วยในการรักษาความผิดปกติทางระบบประสาทและจิตใจต่างๆ เช่นโรคจิตเภทโรคสมองเสื่อม โรคอารมณ์แปรปรวนและโรคลมชักอย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงพื้นที่การวิจัยใหม่[ 12 ]เป็นที่ทราบกันดีว่าช่องแคลเซียมชนิด T มีบทบาทในการปล่อยคลื่นแหลมและคลื่นของอาการชัก แบบเหม่อลอย ยาต้านโรคลมชักสามารถควบคุมอาการชักแบบเหม่อลอยได้โดยการยับยั้งช่องแคลเซียมชนิด T ซึ่งจะป้องกันกระแสแคลเซียมแรงดันต่ำ[ 13 ]
แอมพลิจูดของสไปค์ Ca 2+
จากการศึกษาพบว่าแอมพลิจูดของ LTS มีความสัมพันธ์โดยตรงกับขนาดของกระแส Ca²⁺ ชั่วคราวที่เป็นพื้นฐานของ LTS ในเซลล์ประสาทบางชนิด LTS ถูกกระตุ้นโดยการรวมกันของเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าปกติ หรือการปลดล็อกช่อง Ca²⁺ และสัญญาณกระตุ้นที่สูงกว่าเกณฑ์ ดังนั้นแอมพลิจูดของสไปค์ Ca²⁺ จึงขึ้นอยู่กับระดับของเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าปกติและสัญญาณกระตุ้นเป็นหลัก
อย่างไรก็ตาม ได้มีการแสดงให้เห็นแล้วว่า LTS เป็นเหตุการณ์แบบทั้งหมดหรือไม่มีเลยเนื่องจากลักษณะการสร้างใหม่ของปรากฏการณ์ เช่นเดียวกับศักยภาพการกระทำที่ตามมา LTS มีความแปรผันเล็กน้อยในแอมพลิจูดหรือรูปร่างที่ศักยภาพการยึดที่แตกต่างกัน สิ่งนี้กำหนดว่าอินพุตการลดขั้วที่เกินเกณฑ์จะไม่ส่งผลต่อแอมพลิจูดและมีส่วนในการกระตุ้นเริ่มต้นของ LTS เท่านั้น ปริมาณการปิดใช้งานจะกำหนดการนำไฟฟ้าของช่อง Ca 2+และเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อแอมพลิจูดของ LTS นอกจากนี้ยังมีการเสนอแนะว่ากิจกรรมของช่อง K+ ที่แก้ไขล่าช้าสามารถส่งผลต่อแอมพลิจูดของ LTS ได้ ดังนั้นการยิงแบบเป็นกลุ่มที่เกิดจาก LTS จึงคิดว่าใช้เป็นสัญญาณเปิด/ปิด ตรงข้ามกับการยิงแบบต่อเนื่องซึ่งเป็นแบบไล่ระดับและตอบสนองต่อความเข้มของอินพุตการลดขั้วได้ดีกว่า[ 10 ]
ระยะเวลาแฝงของการเกิดสไปค์ Ca 2+
ความหน่วงของ LTS คือปริมาณเวลาที่อยู่ระหว่างพัลส์ดีโพลาไรเซชันและจุดสูงสุดของมัน มีการแสดงให้เห็นว่าแตกต่างจากแอมพลิจูด ความหน่วงได้รับผลกระทบโดยตรงจากขนาดของกระแสดีโพลาไรเซชันเริ่มต้น ซึ่งได้มาจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างการตอบสนองโอห์มิกภายนอกเริ่มต้น ซึ่งก็คือการรั่วไหลของไอออน K+ ออกจากเซลล์เพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของศักย์เยื่อหุ้ม เซลล์ และการเปิดปิด ช่องแคลเซียมชนิด Tที่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า
ความหน่วงจะลดลงเมื่อกระแสดีโพลาไรซ์เพิ่มขึ้น ซึ่งจะเอาชนะกระแสโอห์มิกขาออกและทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ดีโพลาไรซ์ได้เร็วขึ้น ส่งผลให้การเติบโตแบบเอกซ์โพเนนเชียลของสไปค์ Ca 2+ เกิดขึ้นเร็วขึ้น การลดลงนี้จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากขึ้นเมื่อกระแสดีโพลาไรซ์อยู่ใกล้กับเกณฑ์ และจะค่อยเป็นค่อยไปมากขึ้นเมื่อการฉีดกระแสเพิ่มขึ้นเกินเกณฑ์ ความหน่วงจะไม่สามารถลดลงได้อีกเมื่อกระแสดีโพลาไรซ์ถึงค่าหนึ่ง และจะเกือบเป็นค่าเดียวกันเมื่อใช้กระแสที่มากกว่านั้น สิ่งนี้ทำให้เกิดสมมติฐานว่าการส่งสัญญาณแบบระเบิดอันเป็นผลมาจาก LTS ที่มีอินพุตกระตุ้นที่แรงกว่านั้นมีความเสถียรมากกว่า LTS ที่เกิดจากอินพุตกระตุ้นที่ใกล้เกณฑ์[ 10 ]
โรคพาร์กินสัน
ทาลามัสมีหน้าที่ส่งต่อสัญญาณประสาทสัมผัสและการเคลื่อนไหวไปยังเปลือกสมองดังนั้นจึงมีการวิจัยมากมายเกี่ยวกับสไปค์ที่มีเกณฑ์ต่ำในเซลล์ประสาทในทาลามัสและความสัมพันธ์กับโรคพาร์กินสันและการสูญเสียการทำงานของการเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้น ภาวะ ไฮโป-แบรดีคิเนเซียที่พบในโรคพาร์กินสันดีขึ้นได้ด้วยการผ่าตัดทาลามัส ส่วนกลาง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเกิดจากการรบกวนของการระเบิด LTS ของทาลามัสกับการทำงานของเปลือกสมอง[ 14 ]
พบว่า LTS เกิดขึ้นในทาลามัสด้านข้างของมนุษย์ขณะนอนหลับ อย่างไรก็ตาม LTS จะหายไปทันทีที่ผู้ป่วยตื่นขึ้น กิจกรรมการระเบิดของ LTS ที่ผิดปกติซึ่งพบในผู้ป่วยพาร์กินสันขณะตื่น แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างสภาวะทางคลินิกและกิจกรรมของเซลล์ประสาทนี้[ 15 ]