Wie erhöht eine höhere Kanaldichte die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Aktionspotentials?

Wie @another'Homosapien' in den Kommentaren erwähnte, ist die Realität eigentlich das Gegenteil: Die Aktionspotentialgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zur Kanaldichte.

• Mit anderen Worten: Eine geringere Kanaldichte erhöht die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Aktionspotentials.

Wenn Sie die Dichte der Ionenkanäle verringern, erhöhen Sie den Membranwiderstand. Dies führt zu einem geringeren "Austreten" von Kationen, wodurch sich Spannungen weiter ausbreiten können und somit die Anzahl der zu erzeugenden Aktionspotentiale verringert wird. Dies führt zu einer erhöhten Leitungsgeschwindigkeit .

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Lange Antwort

Es ist wichtig, zwei Dinge über die Aktionspotentialausbreitung zu beachten:

1. Jedes Aktionspotential braucht Zeit, bis es auftritt.
2. Die erzeugte Ladung (dh Spannung) wird mit zerstreut$\uparrow$Distanz.

Tatsächlich haben wir Gleichungen, um sowohl die Zeit zu berechnen, die eine Spannungsänderung benötigt, als auch wie der Stromfluss mit der Entfernung abnimmt.

• Mehr über die Mathematik dahinter und die Eigenschaften von Passivmembranen im Allgemeinen können Sie hier und hier nachlesen .

Wichtig ist, dass diese Gleichungen auf zwei Konstanten beruhen: Länge und Zeit.

Die Zeitkonstante,$\tau$, charakterisiert, wie schnell der Stromfluss das Membranpotential ändert.$\tau$wird berechnet als:

$$\tau = r_mc_m$$

wo r$_m$und C$_m$sind der Widerstand bzw. die Kapazität der Plasmamembran. (Siehe diese vorherige Antwort für eine Erklärung von Widerstand und Kapazität.)

Wichtig ist, dass diese Variablen teilweise von der Membranstruktur abhängen.

• c$_m$(die Kapazität der Membran) nimmt ab, wenn Sie die positiven und negativen Ladungen trennen.

• r$_m$(der Widerstand des Membranpotentials) ist der Kehrwert der Permeabilität der Membran.

  • Je höher die Permeabilität, desto geringer der Widerstand.

  • Ein geringerer Membranwiderstand bedeutet, dass Sie Ionen schneller verlieren und daher Signale weniger weit reisen

Aber wieso? Hier wird diese Längenkonstante wichtig. Die Längenkonstante,$\lambda$, kann vereinfacht werden zu:

$$\lambda = \sqrt {\frac {r_m}{r_e + r_i} }$$

wo, wieder r$_m$repräsentiert den Widerstand der Membran und r$_e$und r$_i$sind die extrazellulären bzw. intrazellulären Widerstände. (Anmerkung: r$_e$und r$_i$sind normalerweise sehr klein).

Grundsätzlich gilt, wenn der Membranwiderstand r$_m$wird erhöht (möglicherweise aufgrund eines geringeren durchschnittlichen "Lecks" des Stroms über die Membran)$\lambda$größer wird (dh die Strecke, die Ionen zurücklegen, bevor sie aus der Zelle "austreten", nimmt zu), und die Strecke, die eine Spannung zurücklegt, wird länger.

Warum ich dir das alles erzähle??

Wie hängen die Zeitkonstante und die Raumkonstante mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen zusammen?

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Raumkonstante und umgekehrt proportional zur Zeitkonstante . Zusammenfassend :

• Je kleiner die Zeitkonstante, desto schneller wirkt sich eine Depolarisation auf den angrenzenden Bereich aus. Wenn eine Depolarisation eine benachbarte Region schneller betrifft, wird sie die benachbarte Region früher an den Schwellenwert bringen.

  • Je kleiner die Zeitkonstante ist, desto schneller ist daher die Ausbreitungsgeschwindigkeit.

• Wenn die Raumkonstante groß ist, würde eine Potentialänderung an einem Punkt eine größere Entfernung entlang des Axons ausbreiten und entfernte Regionen früher an die Schwelle bringen.

  • Je größer die Raumkonstante ist , desto schneller werden daher entfernte Bereiche auf die Schwelle gebracht und desto schneller wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit sein.

Sooo....

Wenn Sie die Permeabilität der Membran verringern (dh wenn Sie Ionenpumpen daran hindern, Ionen in das Axon hinein oder aus dem Axon heraus zu bewegen), erhöhen Sie den Widerstand der Axonmembran, wodurch die im Aktionspotential erzeugte Spannung vorher weiter wandern kann zerstreuend.

• Indem Sie zulassen, dass sich die Spannung weiter ausbreitet, bevor die Erzeugung eines weiteren Aktionspotentials erforderlich ist, reduzieren Sie die Zeit, die für die Signalausbreitung benötigt wird.

Mit anderen Worten, wenn Sie die Anzahl der Ionenpumpen verringern, erhöhen Sie den Membranwiderstand (r$_m$) . Dadurch breitet sich die Spannung weiter aus und reduziert somit die Anzahl der zu erzeugenden Aktionspotentiale. Das Ergebnis? erhöhte Leitungsgeschwindigkeit .