Điện thế hoạt động
Sự lan truyền ngược của điện thế hoạt động

Hiện tượng điện thế hoạt động truyền ngược lại (backpropagating AP) đến sợi nhánh đã được giới khoa học quan sát và nghiên cứu dày công. Trên sợi trục, sự hiện diện của các kênh cổng điện thế Na+ và K+ đã tạo ra hàng loạt các chu kỳ điện thế hoạt động, nhưng tại màng sợi nhánh, ngưỡng kích thích tại nơi đó cao khiến cho tín hiệu điện trước synap không thể gây ra điện thế hoạt động. Thay vào đó, khi thân thần kinh đã khử cực đến một mức độ vừa đủ bằng việc tích hợp các điện thế khởi sinh, mới có thể kích hoạt điện thế hoạt động và lan truyền một chiều dọc theo sợi trục. Tuy nhiên các dữ kiện thực nghiệm đã cho thấy rằng, thân thần kinh cũng có thể khử cực và làm cho khu vực sợi nhánh cũng khử cực theo vì ở đó có các kênh cổng điện thế Na+. Sự lan ngược này có thể ví như làn sóng vang dội lại từ các điện thế hoạt động khởi phát ngay tiểu đồi sợi trục (hay đoạn đầu sợi trục, axon initial segments). Điện thế hoạt động lan theo sợi trục đồng thời tạo ra tín hiệu ngược chiều, đến sợi nhánh hoạt hóa những kênh cổng điện thế Ca2+ dẫn đến sự hình thành của điện thế hoạt động đặc biệt tại đó.
Cần phải lưu ý rằng độ mạnh của điện thế hoạt động ngược thay đổi rất nhiều giữa nhiều loại tế bào nơron khác nhau. Một số loại tế bào nơron không làm thay đổi (hoặc rất ít) biên độ của điện thế hoạt động ngược lan đến cấu trúc cây sợi nhánh, trong khi những tế bào khác, chẳng hạn như tế bào Purkinje trong tiểu não, cản trở điện thế hoạt động rất nhiều và như thế hiện tượng này rất ít diễn ra. Hơn nữa, sự phong phú của các loại tế bào đã thể hiện ra mức độ phân rã biên độ khác nhau trong quá trình lan truyền ngược. Người ta cho rằng là mỗi một loại tế bào nơron chứa số lượng các kênh cổng điện thế riêng biệt cần thiết cho việc dẫn truyền điện thế hoạt động trong sợi nhánh. Tuy nhưng, nhiều kênh K+ loại A tập trung tương đối cao tại mỏm thần kinh đã hạn chế khả năng lan truyền ngược của điện thế hoạt động ngăn chặn vòng điều hòa dương tính diễn ra, không tạo ra được các chu kỳ bất tận và như vậy bảo vệ tế bào khỏi những tổn hại.
Sự lan ngược trở lại của điện thế hoạt động có thể làm giảm ngưỡng kích thích tại sợi nhánh, và ảnh hưởng đến khả năng phóng ra điện thế hoạt động của nơron. Các tín hiệu điện hưng phấn đến từ synap vào nhánh cụm (apical tuft) cộng với các tín hiệu đầu vào của nhánh nền (tức những điện thế hoạt động ngược) sẽ tạo ra hàng loạt các điện thế hoạt động ngắn hạn. Loạt xung điện thế hoạt động (bursting) truyền dọc theo sợi trục chính đến các nơron mục tiêu, tại tận cùng sợi trục người ta đã nhận thấy rằng cơ chế thuận hóa ngắn hạn (short-term facilitation) diễn ra chứng tỏ rằng xung động phối hợp là hiệu quả hơn nhiều so với xung đơn. Những bộ phận nơron tháp (pyramidal neuron) kết nối qua synap với rất nhiều loại tế bào sau synap khác nhau, do đó bằng việc tạo ra loạt khối điện thế hoạt động trong phạm vi thân thần kinh đến sợi nhánh, trong thời gian ngắn khiến cho các kết nối điện giữa nơron tháp với những tế bào đích khác nhau càng thêm hiệu quả.
Điện thế hoạt động ngược cũng có thể mang toàn bộ tín hiệu đầu ra đưa đến vị trí synap kích thích (là nơi nhận tín hiệu đầu vào) và gây ra các đáp ứng cục bộ dài hạn tại đó làm tăng hiệu lực của synap. Những thay đổi như thế được kích hoạt phụ thuộc vào tương quan thời gian giữa điện thế hoạt động trước synap và điện thế hoạt động sau synap, khoảng thời gian vàng là 100 ms xét một cách tương đối. Dựa trên thứ tự xuất hiện chính xác của điện thế hoạt động tại nơron trước synap và điện thế hoạt động ngược của nơron sau synap trong cấu trúc nhánh, hiệu lực synap có thể tăng hoặc giảm sau thời gian vàng đó. Những thay đổi về hiệu lực của synap gây ra bởi những chu kỳ lặp lại gần như trùng hợp của điện thế hoạt động trước synap và điện thế hoạt động sau synap, thể hiện thông qua thuật ngữ tính mềm dẻo phụ thuộc thời gian điện thế hoạt động (STDP). Các thay đổi dài hạn trong tính hiệu lực của synap thường phụ thuộc vào sự tăng cường dòng chảy Ca2+ vào nội bào qua các "chốt" NMDA, ngụ ý rằng sự lan truyền ngược của điện thế hoạt động là một trong những cơ chế kiểm soát khả năng mềm dẻo của synap qua nhiều dòng thác chuyển hóa được vận hành bởi biến đổi tăng về nồng độ Ca2+ bên trong tế bào.
Cơ chế STDP làm tăng hiệu lực synap liên quan đến quá trình lưu thông ion calci vào nội bào qua thụ thể NMDA, người ta quan sát thấy rằng cơ chế này diễn ra khi, có sự xuất hiện đồng thời các EPSP và điện thế hoạt động ngược làm tăng vọt nồng độ ion Ca2+ giới hạn tại vùng đuôi gai dưới dạng hàm trên tuyến tính (supralinear function), điều này đã được chứng minh qua thực nghiệm trên các nơron tháp khu vực CA1 vùng hải mã, nơron tháp vùng vỏ L5, nơron hình sao (stellate neuron) vùng vỏ L4, và nơron trung gian hai cụm (bitufted interneuron) vùng vỏ L2/3. Đối với cấu trúc đuôi gai của nơron hình sao L4, thời gian diễn ra quá trình tổng hợp các tín hiệu calci, gây ra bởi các tác động đồng thời của EPSP và điện thế hoạt động ngược bằng với thời gian khử hoạt các kênh NMDA.
Hiện tượng lan truyền ngược điện thế hoạt động có thể diễn ra trên tất cả các tế bào thần kinh? Thực tế rằng điện thế hoạt động ngược suy giảm về biên độ với mức độ khác nhau trên nhiều loại nơron đặc thù, chẳng hạn như tế bào tháp, tế bào sao, tế bào hai cụm, hiện tượng này đã thúc đẩy cơ chế STDP, và không có gì đáng ngạc nhiên là khả năng ảnh hưởng đến STDP cũng thay đổi trên cùng một loại nơron, phụ thuộc trên vị trí và sự phân bổ chính xác của các synap vào sợi nhánh. Điều này đúng đặc biệt với các tế bào tháp mang nhánh nền và nhánh đỉnh có hình học không gian rất phức tạp. Hơn nữa, xác suất hiện tượng xảy ra tăng lên cùng với tần số của điện thế hoạt động, và phụ thuộc rất lớn vào tín hiệu kích thích đầu vào dưới ngưỡng.
Các chất dẫn truyền thần kinh kinh điển và peptide thần kinh có thể được giải phóng từ cấu trúc sợi nhánh từ nhiều quần thể nơron khác nhau. Chức năng chính nhằm lan truyền tín hiệu ngược trở lại điều chỉnh sự lan truyền các hóa chất qua synap, hoạt động điện tế bào, và trong một số trường hợp làm thay đổi hình thái gốc của tế bào. Điện thế hoạt động ngược cũng thể hiện những vai trò như vậy, cụ thể hơn nó làm sợi nhánh phóng ra chất truyền đạt điều chỉnh lại sự phân biệt về mùi một cách chính xác. Và tương tự, xung thần kinh ngược chiều trong một số nơron trung gian vùng vỏ não mới gây ra sự giải phóng GABA từ sợi nhánh đến các cúc tận cùng của tế bào tháp, và ngược lại trong tế bào tháp sự hiện diện các xung ngược có thể kiểm soát sự phóng thích glutamate và cannabinoid từ sợi nhánh. Hai vòng feedback cục bộ có thể điều phối điện thế hoạt động trong cả hai nơron trung gian và nơron tháp để duy trì hoạt động thần kinh ổn định trong mạch cục bộ ở vỏ não.
Điện thế hoạt động ngược về cơ bản cần thiết cho quá trình ổn định hóa sự hình thành synap sơ khai trong mạch thần kinh đối với não bộ thời kỳ sau sinh, và cả sự phát triển phụ thuộc kinh nghiệm của hệ thần kinh trung ương. Các synap kích thích được tạo chủ yếu trên sợi nhánh, như vậy tín hiệu nối kết giữa sự tăng sinh cấu trúc sợi trục của nơron chiếu đến sợi nhánh của nơron nhận có khả năng liên quan đến tín hiệu điện của các sợi nhánh qua quá trình động học phụ thuộc Ca2+.
Trong giai đoạn đầu đời, các tế bào nơron thường biểu hiện ra những đợt tự phát của điện thế hoạt động cấp độ cao hơn so với người trưởng thành. Những nhà khoa học giả thuyết rằng dạng điện thế hoạt động ngược không chỉ đồng bộ hóa mạng lưới thần kinh đang phát triển qua các khớp synap nhánh-nhánh, mà còn có thể khiến sợi nhánh phóng ra các yếu tố tăng trưởng "hấp dẫn" quá trình tăng sinh sợi trục về phía nó, hay là như tín hiệu kích thích sự phân nhánh bên của sợi trục. Điện thế hoạt động ngược như cung cấp cho sợi nhánh "bản mã thần kinh sao lưu có điều chỉnh" bắt nguồn từ sợi trục và có thể ổn định hóa các kết nối synap ban đầu giữa những tổ hợp nơron trong đó phát động điện cho nhau. Đối với giai đoạn sau sinh, mật độ phân bố của các thụ thể NMDA (trong hệ thần kinh trung ương) điều phối dòng chảy ion tại khe synap nhiều hơn so với người trưởng thành, và vị trí synap kích thích mới hình thành chỉ chứa các thụ thể NMDA, có lẽ rằng là những synap mới này có tính chất điện rất yếu hay thậm chí là không có. Dòng chảy ion calci lưu lượng cao tập trung vào các sợi nhánh qua thụ thể NMDA gắn trên màng sau synap thậm chí vẫn có thể diễn ra trong trường hợp Mg2+ chặn thụ thể NMDA, vì điện thế hoạt động ngược đã kéo Mg2+ ra khỏi vị trí đặc hiệu trong khoảng thời gian ngắn. Về chức năng của điện thế hoạt động ngược trong việc tăng cường độ mạnh cho các mạch thần kinh chuyên biệt qua phối hợp đồng thời các điện thế hoạt động trước và sau synap trong tập hợp nơron thời kỳ phát triển sớm sau sinh hiện vẫn còn đang được nghiên cứu sâu hơn.