Свойства потенциала действия

Благодаря теории ионного возбуждения Ходжкина — Хаксли, что является существенным доказательством ее правильности, ста­ло возможным объяснить с помощью основных ее положений свойства потенциала действия, а также механизмы его распрост­ранения в нервных и мышечных клетках.

Аккомодация. Закон раздражения Дюбуа-Реймона. Как было вы­яснено, для того чтобы возник потенциал действия, необходимо деполяризовать мембрану до порогового значения. Однако ни по­роговый раздражающий ток, ни пороговый потенциал не имеют определенной величины, поскольку зависят от нескольких факто­ров, в том числе и от скорости деполяризации мембраны. Зависи­мость порога возникновения потенциала действия от скорости на­растания раздражающего тока получила название закона раздражения Дюбу а-Р е й м о н а, суть которого состо­ит в том, что для достижения порога раздражения сила тока долж­на нарастать с определенной скоростью. При медленном нараста­нии силы тока возбуждение не наступает (рис. 2.13). Это явление, названное аккомодацией, связано со свойствами инактивации (закрывания) натриевых каналов и активации калиевых кана­лов при длительной деполяризации. В частности, повышение мембранного потенциала к пороговому уровню вызывает откры­вание натриевых каналов и соответственно возникновение входя­щего, натриевого тока. Однако, если скорость этого процесса не­достаточна, часть натриевых каналов успевает закрыться. В то же время при деполяризации происходит активация калиевых кана-

■* Рис. 2.13. Схема, поясняющая аккомода­цию в электровозбудимой мембране: А — кривая повышения порога возбуждения; 1...4— нарастание силы раздражающего им- 4 пульса с различной скоростью

Время

лов, у которых в отличие от натриевых инактивация не происхо­дит. Таким образом, ослабляется входящий натриевый ток и уси­ливается выходящий калиевый ток. Все это замедляет или блоки­рует развитие регенеративного процесса.

°0 3,2

Закон длительности раздражения. Закон Дюбуа-Реймона тесно связан с другим необходимым условием наступления возбужде­ния — определенной длительности раздражения. Исследованию данной проблемы были посвящены многочисленные работы, на­чатые еще в конце XIX в., экспериментальные данные которых позволили сделать вывод, что порог возбуждения не может быть достигнут, если раздражение длится очень долго, но сила его мала, или сила раздражения велика, но действует очень короткий про­межуток времени. Кривая, выражающая зависимость необходи­мой силы тока от времени раздражения нервного волокна, имеет вид гиперболы и никогда полностью не приближается к осям координат (рис. 2.14). Начиная с некоторого момента кривая идет параллельно оси абсцисс — оси времени, т. е. сила ниже порого-

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Длительность, мс

Рис. 2.14. Кривая «сила — длительность» для возникновения потенциала в нерве:

/: по оси ординат — реобаза, по оси абсцисс — полезное время; //: по оси ординат — двойная реобаза, по оси абсцисс — хронаксия

вой не вызывает возбуждения ни при какой длительности раздра­жения — время бесполезно. И наоборот, начиная с пороговой силы, время становится значимым (полезным) для раздражения. По су­ществу, «полезное время» — это критическая длительность дейст­вия наименьшего тока, способного вызвать возбуждение. Примени­мо к нервной или мышечной клетке это возникновение потенциала действия. Для того чтобы импульс тока мог изменить мембранный потенциал и вызвать потенциал действия, через мембрану должно пройти некоторое минимальное количество электричества Q, кото­рое, как известно, измеряется как произведение силы тока /на вре­мя t: Q = It. Из соотношения следует, что по мере сокращения дли­тельности тока необходимо увеличить его силу, чтобы он сохранял эффективность в качестве раздражителя.

Для импульсов большой длительности существует некоторая минимальная сила тока, достаточная для возбуждения. Более сла­бый ток из-за того что мембрана в покое имеет определенную проводимость для ионов калия, не способен вызвать необходимое смещение трансмембранной разности потенциалов и запустить регенеративный процесс генерации потенциала действия. Таким образом, «полезное время» может свидетельствовать об уровне возбудимости ткани: чем короче «полезное время», тем более воз­будимыми являются ткани и быстрее реагируют на раздражитель. Это положение с начала XX в. успешно используется в клиничес­кой и лабораторной практике. Вместе с тем следует, что точное измерение «полезного времени» затруднительно, поскольку в этой части кривой значительные изменения времени соответствуют очень малым изменениям порога раздражения (см. рис. 2.14). По­этому французским исследователем Лапиком было предложено измерять в качестве порога времени минимальную длительность раздражителя при его силе, равной двум порогам, и при условии, что сила порогового раздражителя измерена при длительностях, превышающих «полезное время». Временные интервалы и значе­ния силы раздражителя получили специальные названия и ис­пользуются по настоящее время. Пороговая сила была обозначена как реобаза, а необходимое время раздражения при силе раздраже­ния, равной двум реобазам, — хронаксия. Хронаксия — величина переменная и зависит от многих факторов: структуры ткани, ее функционального состояния и всего организма в целом. Кривые «сила — длительность» для разных тканей и органов подобны по форме, но отличаются во времени. Например, у лошади и жвач­ных животных хронаксия двигательных нервов колеблется от 0,09 до 0,2 мс, а скелетных мышц — от 0,2 до 0,4 мс; самая большая хронаксия у гладких мышц желудка, кишечника и матки, изме­ряемая десятками и сотнями миллисекунд.

Рефрактерность. После окончания возбуждения в нервных или мышечных клетках или, другими словами, после окончания в них потенциала действия наступает состояние временной невозбуди-

Рис. 2.15. Периоды рефрактерности (сни­жения возбудимости) при генерации по­тенциала действия:

верхняя запись — потенциалы действия, гене­рируемые на электрическое раздражение, ниж­няя запись — отметка электрического раздраже­ния; А — период абсолютной рефрактерности; Б— период относительной рефрактерности; 1...4— периоды рефрактерности

'jj[

. Время после первого стимула

мости — рефрактернос-т и. Наличие фазы рефрактер­ности, сопровождающее окон­чание возбуждения, было впер­вые установлено в конце XIX в. Мареем на сердце лягушки. Он обнаружил, что после сокраще­ния сердца очередное сокраще­ние нельзя вызвать в течение периода, равного десятым долям секунды, независимо от ампли­туды и длительности раздража­ющего стимула. В нервных клет­ках период невозбудимости ока­зался значительно короче, чем в мышечных. При уменьшении интервала раздражения между двумя раздражающими элект­рическими стимулами величина потенциала действия в ответ на второй стимул становится все ниже и ниже. А если повторный стимул наносится во время генерации потенциала действия или сразу же после его окончания, то второй потенциал действия не генерируется (рис. 2.15). Период, в течение которого потенциал действия на второй раздражающий стимул не возникает, получил название абсолютного рефрактерного периода. Он составляет для нервных клеток позвоночных животных 1,5...2 мс. После периода абсолютной рефрактерности наступает относительный рефрактер­ный период, который характеризуется: 1) повышенным порогом раздражения по сравнению с исходным состоянием (т. е. для того чтобы возник повторный потенциал действия, необходим ток боль­шей величины); 2) снижением амплитуды потенциала действия. По мере окончания периода относительной рефрактерности возбуди­мость повышается до исходного уровня и величина порогового раздражения уменьшается также до первоначального значения.

Наличие периодов абсолютной и относительной рефрактерно­сти легко объяснимо на основании данных о динамике активации и инактивации натриевых и калиевых ионных каналов во время

генерации потенциала действия. Так, в период абсолютной ре­фрактерности во время нисходящей части потенциала действия повышается калиевая проводимость за счет открывания дополни­тельных калиевых каналов и снижается натриевая проводимость за счет инактивации натриевых каналов. Поэтому даже при боль­ших значениях деполяризующего тока не удается активировать та­кое число натриевых каналов, чтобы выходящий натриевый ток мог бы превысить увеличенный выходящий калиевый ток и снова запустить регенеративный процесс. Во время относительного ре­фрактерного периода деполяризующий сигнал достаточно боль­шой амплитуды может активировать воротный механизм натрие­вых каналов так, что, несмотря на большое число открытых кали­евых каналов, натриевая проводимость увеличивается и вновь воз­никает потенциал действия. Вместе с тем из-за увеличенной про­водимости мембраны к ионам калия и остаточной натриевой инак­тивации повышение мембранного потенциала не будет уже столь близко к значению равновесного натриевого потенциала, поэтому потенциал действия будет меньшим по амплитуде.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Нервные клетки способны передавать возникшее в них возбуж­дение другим клеткам: нервным или же клеткам других органов — мышечным, секреторным, расположенным от сомы возбужденной нервной клетки иногда на довольно значительных расстояниях (до 1 м). Несмотря на большое разнообразие нервных клеток в организме, сообщаются они между собой с помощью двух основ­ных типов электрических сигналов: 1) медленно изменяющихся, градуальных, т. е. не имеющих фиксированную амплитуду, и 2) импульсных потенциалов с определенной амплитудой, возни­кающих по закону «все или ничего» — потенциалов действия. Возбуждение из нервных клеток распространяется по их отрост­кам—нервным волокнам (аксонам или дендритам). По своему строению нервные волокна с точки зрения электропроводящих путей подобны в какой-то мере проложенному под морской водой электрическому кабелю. При этом цитоплазма волокна, представляющая солевой раствор и хорошо проводящая электри­ческий ток, служит аналогом металлического проводника. Не-миелинизированные нервные волокна покрыты мембраной, кото­рая проводит электрический ток значительно хуже — аналог изо­лирующей оболочки кабеля. Идеальным изолятором является миелиновая, оболочка мякотных волокон, но она местами преры­вается проводящей клеточной мембраной через 0,9...2 мм. Роль морской воды, которая, как известно, по своему составу представ­ляет солевой раствор, играет внеклеточная жидкость. При поступ­лении электрического сигнала в наш биологический кабель

электрический ток будет распространяться по нему в соответ­ствии с его электрическими свойствами, а точнее — в соответ­ствии с его электрическим сопротивлением ионному току ци­топлазмы и мембраны.

Эти свойства можно проиллюстрировать с помощью эквива­лентной электрической схемы (рис. 2.16), в которой участки ци­топлазмы и мембраны соответственно обозначены сопротивлени­ями // и /-„.Сопротивления изображены как дискретные элементы лишь для удобства, на самом деле такого разделения в немиели-низированных нервных волокнах нет. Для миелинизированного нервного волокна г_т обозначает только сопротивление мембраны в области перехвата Ранвье. Сопротивление волокна на участке, покрытом миелином, имеет очень большую величину по сравне­нию с сопротивлением мембраны перехвата Ранвье, и поэтому им можно пренебречь. В этом случае дискретность элементов на схе-

I I

I Мембрана |

Внутри-клеточная \ среда

* i

^lm^ ^гт ]

Внеклеточная среда V₀

V=V0exp(-x/^7Fi)

t

-VW—»

^гт

-VA—♦

к

Источник тока

Рис. 2.16. Свойства (кабельные) нервного волокна:

А — эквивалентная электрическая схема: г,— электрическое сопротивление участка цитоплаз­мы; г_т — электрическое сопротивление участка мембраны; //—ионный ток в цитоплазме; /. — ионный ток через мембрану; стрелками показано направление ионного тока; Vq, V\, V₂, V} — потенциалы в точках цитоплазмы волокна, удаленных на различные расстояния от источ­ника тока; Б— экспоненциальное затухание электрического сигнала V_a с увеличением рассто­яния л вдоль нервного волокна

ме приобретает электрофизиологический смысл. На схеме стрел­ками показано ветвление электрического тока от источника. Со­гласно первому закону Кирхгофа сумма всех токов, выходящих из источника тока, должна быть равна сумме всех токов, входящих в него. Из этого закона, а также закона Ома следует, что в точках ветвления ток будет распределяться таким образом, что его ве­личина через отходящий от этой точки участок будет пропор­циональна электрическому сопротивлению данного участка. При включении ток соответственно распределится по всем параллель­но и продольно расположенным сопротивлениям. Так, при каж­дом увеличении продольного сопротивления г-, продольный ток будет уменьшаться, поскольку при последовательном соединении сопротивления складываются. В каждой точке ветвления ток будет распределяться. Часть его будет уходить через сопротивление мем­браны г_т, а часть — через г,-. В результате этого трансмембранный ток, текущий через г_т, будет уменьшаться по мере удаления от ис­точника тока и в конце концов будет равен нулю. Математический анализ характера снижения трансмембранных потенциалов в раз­личных участках нервного волокна показал, что он зависит от со­отношения между электрическими сопротивлениями этих участ­ков и имеет вид экспоненты (см. рис. 2.16).

Из схемы следует, что распространение ионного тока вдоль цитоплазмы происходит с меньшей степенью затухания, чем меньше ее продольное электрическое сопротивление. В то же вре­мя уменьшение сопротивления мембраны усиливает утечку тока во внешнюю среду и способствует более быстрому затуханию тока вдоль волокна. Электрический ток распространяется с меньшими потерями вдоль миелинизированного нервного волокна, посколь­ку изолирующие свойства миелиновой оболочки снижают утечку тока через поверхность волокна. Вместе с тем вычисления и изме­рения электрического сопротивления мембраны и цитоплазмы показали, что даже в самых толстых нервных волокнах позвоноч­ных животных их значения составляют миллионы ом. Проходя че­рез такое сопротивление, электрический ток значительно снижает свою величину, поэтому электрический импульс может пассивно распространяться в этих волокнах на расстояние в несколько мил­лиметров. Таким образом, данный способ распространения элект­рического потенциала (электрического возбуждения) неприем­лем для нервных клеток, имеющих волокна протяженностью не­сколько десятков или сотен миллиметров. В этих случаях в клет­ках для распространения возбуждения участвует регенеративный механизм генерации электрического возбуждения.

В предыдущем разделе мы выяснили, что в покое нервная клет­ка имеет мембранный потенциал отрицательной полярности на внутренней стороне мембраны, причем он имеет одинаковую ве­личину и полярность и в соме, и в нервных отростках. Допустим, в результате воздействия какого-либо внешнего или внутреннего

 

S - 3389

источника раздражения определенный участок нервного волокна возбуждается. В соответствии с этим лавинообразно увеличивает­ся проводимость для ионов натрия и внутренняя поверхность мембраны становится на время положительной. В соответствии с законами электричества электрический (ионный) ток будет рас­пространяться от положительного полюса к отрицательному. Пет­ли тока будут проходить вдоль нервного волокна по цитоплазме и через мембрану невозбужденных участков. В результате мембран­ный потенциал будет сдвигаться к пороговому значению, и в слу­чае его превышения проницаемость ионов натрия начнет регене­ративно увеличиваться с последующим возникновением потенци­ала действия. Появление потенциала действия в новом участке вызывает местные токи, деполяризующие и возбуждающие следу­ющие участки нервного волокна (рис. 2.17, А).

Мы описали процесс распространения потенциала действия в немиелинизированном нервном волокне. В миелинизированном волокне он будет несколько иной. В частности, из-за того что участки мембраны между перехватами Ранвье покрыты миели­ном, весь возбуждающий местный ток будет воздействовать толь­ко на мембрану в области перехвата Ранвье и возникновение оче­редного потенциала действия будет происходить только в после­дующем перехвате (рис. 2.17, Б). Если распространение в безмя-котном нервном волокне происходит плавно и напоминает дви­жение горящего участка в бикфордовом шнуре взрывного устрой­ства, то в мякотном волокне возбуждение будет распространяться скачкообразно, или, как часто используют термин, сальтаторно, от перехвата к перехвату. Таким образом, распространяющийся по нервному волокну сигнал постоянно усиливается и поддерживает­ся на одинаковом уровне. Порог деполяризации для возбуждения мембраны составляет около 20 мВ, тогда как обычная деполяриза­ция мембраны при максимальной амплитуде потенциала дейст­вия равна 100... 120 мВ. Следовательно, при генерации потенци­ала действия происходит усиление электротонического сигнала в 5...6 раз. Нужно отметить, что ток, входящий в нервное волокно в месте возбуждения, частично распространяется и назад, т. е. в на­правлении, противоположном нервному импульсу. Однако этот

Рис. 2.17. Распространение нервного им­пульса в немиелинизированном (А) и мие­линизированном (Б) нервном волокне:

а — возбужденный (деполяризованный) учас­ток мембраны нервного волокна; 6— учас­ток мембраны нервного волокна, находящий­ся в состоянии покоя. Прерывистыми стрел­ками показано распространение ионного то­ка. Вверху стрелка указывает направление рас­пространения нервного импульса

 

ток не вызовет возбуждение мембраны, поскольку ее участки, ле­жащие сзади от распространяющейся волны возбуждения, нахо­дятся в состоянии абсолютной рефрактерности. Калиевая прони­цаемость в них увеличена, а натриевые каналы временно инакти-вированы. Все это служит надежным блоком для возникновения потенциала действия и распространения вдоль нервного или мы­шечного волокна.

С какой же скоростью распространяются потенциалы действия в нервной системе? В 30-е годы XIX в. один из крупнейших фи­зиологов И. Мюллер заявил, что скорость распространения воз­буждения измерить невозможно, поскольку волна возбуждения (или, говоря современным языком, потенциал действия) — элект­рический импульс и он должен проводиться со скоростью света, т. е. 3 • 10¹⁰ см/с. Учитывая малые размеры нервов и мышц и несо­вершенство регистрирующих приборов того времени, измерить такую скорость, конечно, было невозможно. Однако 15 лет спустя ученик Мюллера, впоследствии знаменитый физиолог, Г. Гельм-юльц с помощью несложной установки (рис. 2.18) показал, что скорость распространения возбуждения в нервах и мышцах в 10 млн раз меньше скорости света. В своих опытах Гельмгольц использовал нервно-мышечный препарат. Он раздражал нерв в двух точках, отстоящих друг от друга на расстоянии 3 см, и изме­рял время с момента подачи стимула до наступления максимума сокращения. Предположим, что при раздражении участка нер­па, расположенного ближе к мышце на 3 см, время наступления максимума сокращения уменьшилось на 0,001 с. Тогда получает­ся, что волна возбуждения прошла 3 см нерва за 0,001 с. Следова-

 

тельно, возбуждение по нервному волокну распространяется со скоростью

V= S/l = 3 см/0,001 с = 3 • 10³ см/с = 30 м/с.

На основании своих наблюдений Гельмгольц сделал вывод, что проведение волны возбуждения (нервного импульса) — это более сложный процесс, чем простое продольное проведение тока в нервном волокне. Как уже указывалось, введение Эрлангером и Гассером в 30-х годах XX в. в практику электрофизиологического эксперимента безынерционного катодного осциллографа с элект­ронным усилителем позволило весьма точно измерить проведение потенциалов действия в различных нервных волокнах. Оказалось, что скорость проведения возбуждения зависит от диаметра волок­на, а также наличия у нервного волокна миелиновой оболочки. У высших позвоночных животных наименьшая скорость проведе­ния, составляющая 0,5...2 м/с, была зарегистрирована в тонких немиелинизированных волокнах диаметром 0,5... 1 мкм. Наиболь­шей скоростью (70... 120 м/с) обладают самые толстые миелинизи-рованные волокна диаметром 15...25 мкм. Скорость распростране­ния нервного импульса в значительной мере зависит от того, как быстро участок мембраны деполяризуется местными токами до порогового уровня. А это согласно схеме (см. рис. 2.16) будет происходить тем быстрее, чем меньше продольное сопротивление цитоплазмы.

Известно, что электрическое сопротивление проводника связа­но с его длиной и диаметром следующим соотношением:

R = pl/S,

где Л—сопротивление, Ом; р —удельное сопротивление материала; /—длина проводника, м; S— площадь поперечного сечения проводника.

В свою очередь, S = яг², где г — радиус проводника. Следовательно,

R = р//лг²,

т. е. чем больше радиус проводника, тем меньше его сопротив­ление, и поэтому более толстые нервные волокна имеют боль­шую скорость проведения. Второй важный фактор, способству­ющий более быстрой деполяризации мембраны, — это сниже­ние утечки тока через мембрану волокна. В связи с этим ми-елинизированные нервные волокна при равных диаметрах с немиелинизированными имеют большую скорость проведения. Кроме того, было обнаружено, что плотность натриевых кана­лов в мембране перехвата Ранвье в несколько раз выше, чем в

мембране немиелинизированных волокон. Это дополнительно способствует более быстрой деполяризации мембраны в облас­ти перехвата Ранвье и соответственно увеличивает скорость проведения по волокну.