История открытия биопотенциалов

Биопотенциал – показатель биоэлектрической активности, определяемый разностью потенциалов между двумя точками живой ткани.

История открытия биопотенциалов началась в конце 18 века, когда профессор анатомии в Болонье Луиджи Гальвани дал первые (1791 г.) экспериментальные доказательства существования электрических явлений в мышце лягушки. Он обратил внимание на то, что отпрепарированные задние лапки лягушки приходили в движение, как только касались железной решетки балкона, к которой были подвешены на медный крючок, проходящий через позвоночник и спинной мозг (изучалось статическое атмосферное электричество).

Алессандро Вольта взглядам Гальвани о существовании электричества в мышце противопоставил свое утверждение: электричество возникает при соприкосновении разнородных металлов через влажную среду. Попутно Вольта изобрел первый в мире источник постоянного тока (“вольтов столбик”), открыв “металлическое электричество”. Ирония судьбы: электричество в живых тканях, открытое Л. Гальвани, измеряют в Вольтах, а устройства, в основе которых лежит “металлическое электричество”, открытое Вольта, называют гальваническим элементом.

Справедливости ради следует отметить, что Гальвани поставил второй опыт (“сокращение без металлов”), подтвердив свое предположение о существовании “животного электричества”. Сокращение мышцы нервно-мышечного препарата возникало, когда нерв приводили в соприкосновение с поврежденной и неповрежденной поверхностями мышцы (рис. 1).

Рис. 1. Второй опыт Гальвани.

 

В 1840 г. Маттеуччи, используя зеркальный гальванометр, открывает потенциал повреждения (демаркационный потенциал). Участок повреждения мышцы оказался электроотрицательным по отношению к неповрежденному.

В 1848 г. – Эмиль Дюбуа-Реймон установил, что возбужденный участок нерва электроотрицателен по отношению к невозбужденному (рис. 2).

В конце Х1Х века благодаря работам Дюбуа-Реймона, Л.Герман и Ю.Бернштейн пытались связать электрические явления, возникающие в возбудимых тканях, со свойствами полупроницаемых клеточных мембран.

С 1949 г. Ходжкин, Хаксли, Катц, усовершенствовав микроэлектродную технику, положили начало экспериментальной разработке мембранной теории возбуждения.

 

 

 

Рис. 2. Распространение нервного импульса.

Запись, получаемая при перемещении волны активности последовательно под 2-мя электродами, когда оба они лежат на нерве.

 

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ И ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

2.1. Потенциал покоя. Микроэлектродная техника (внутриклеточная регистрация биопотенциалов).

Микроэлектрод – стеклянная микропипетка, заполненная раствором электролита. Диаметр кончика менее 0,5 мкм позволяет ввести электрод внутрь клетки, не нарушая ее функции. Второй электрод (электрод сравнения) – в питающий раствор с исследуемой тканью. Потенциал внеклеточной среды принимается равным нулю. Электроды соединяются с согласующим устройством, потом с усилителем постоянного тока. В качестве регистратора используется осциллограф.

В момент прокола мембраны клетки микроэлектродом на экране осциллографа происходит резкое смещение нулевого уровня книзу (рис 3). Наблюдается поляризация мембраны - внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно внешней. Это же касается заряда внутреннего содержимого клетки относительно внешней среды. Перемещение кончика микроэлектрода внутри клетки не приводит к изменению измеряемой разности потенциалов, если электрод не повредил клетку. Зарегистрированная разность потенциалов получила название потенциала покоя (ПП) или мембранного потенциала покоя (МПП).

Обычно величина МПП колеблется от – 70 до – 95 мВ.

Смещение мембранного потенциала кверху, т.е. уменьшение значения мембранного потенциала по модулю (уменьшение поляризации) называется уменьшением мембранного потенциала или деполяризацией; смещение книзу, т.е. увеличение по модулю значения мембранного потенциала (увеличение поляризации), называется увеличением мембранного потенциала или гиперполяризацией (рис. 4).

Потенциал действия.

При неизменном функциональном состоянии клетки величина мембранного потенциала не изменяется. Поддержание постоянной его величины обеспечивается нормальным протеканием клеточного метаболизма.

 

 

 

Рис. 3. Внутриклеточная регистрация мембранного потенциала.

А – схема установки для регистрации; Б – момент введения микроэлектрода в клетку. 1 – стеклянный микроэлектрод; 2 – электрод сравнения; 3 – усилитель; 4 – регистратор.

 

 

Рис. 4. Изменения поляризации (потенциала) мембраны.

 

При нанесении на клетку, в которой находится микроэлектрод, допороговых стимулов, можно зарегистрировать уменьшение мембранного потенциала (деполяризацию), которое обратимо (быстро проходит) и зависит от силы стимула, но до определенного уровня.

Ответы клетки при действии на нее допороговых раздражений могут суммироваться.

При деполяризации до определенного уровня (обычно – это смещение мембранного потенциала на 20-30% от величины МПП), называемого критический уровень деполяризации (КУД), возникает резкое колебание мембранного потенциала (рис 5), получившее название потенциала действия (ПД) или спайка или пик – потенциала. И как бы мы дальше не увеличивали силу раздражения, амплитуда потенциала действия уже не изменится (закон “все или ничего”).

Все изменения мембранного потенциала до КУД отображают местный процесс возбуждения, нераспространяющееся возбуждение или локальный ответ.

В ПД различают пик и следовые потенциалы. Восходящая часть пика – деполяризация, нисходящая – реполяризация.

Овершут – перезарядка мембраны или перескок – основная причина распространения возбуждения.

Именно эти овершуты, перескоки ПД и регистрировал в своих экспериментах Эмиль Дюбуа-Реймон. ПД – это всегда распространяющееся возбуждение.

Следовые потенциалы: отрицательный следовый потенциал (следовая деполяризация); положительный следовый потенциал (следовая гиперполяризация).

Амплитуда потенциала действия: нервные клетки 110 –100 мВ; скелетные и сердечные мышцы 110 – 120 мВ.

Продолжительность ПД нервных клеток 1 –2 мс.

Фазовые изменения возбудимости при генерации ПД (рис. 5).

Мерило возбудимости – порог раздражения. При местном, локальном, возбуждении возбудимость увеличивается. Т.е. когда мембранный потенциал достигает КУД, возбудимость повышена.

ПД сопровождается многофазными изменениями возбудимости:

Период абсолютной рефрактерности (АРП) соответствует фазе деполяризации потенциала действия, пику и началу фазы реполяризации, возбудимость снижена вплоть до полного отсутствия во время пика.

Период относительной рефрактерности соответствует оставшейся части фазы реполяризации, возбудимость постепенно восстанавливается к исходному уровню.

Супернормальный период соответствует фазе следовой деполяризации потенциала действия (отрицательный следовый потенциал), возбудимость повышена.

Субнормальный период соответствует фазе следовой гиперполяризации потенциала действия (положительный следовый потенциал), возбудимость снижена.

Если потенциал покоя присущ всем живым клеткам без исключения, то потенциал действия генерируется только возбудимыми клетками, является электрофизиологическим показателем возникновения и распространения процесса возбуждения по мембранам нервных и мышечных клеток.

 

 

 

Рис. 5. ПД и изменения возбудимости во время ПД.