Механизм проведения возбуждения по нервному волокну

Биопотенциалы могут быть локальными (местными), распространяющимися с декре­ментом (затуханием) на расстояние, не пре­вышающее 1—2 мм, и импульсными (ПД), распространяющимися без декремента по всей длине волокна — на несколько десятков сантиметров, например от мотонейронов спинною мозга по всей длине нервного во­локна до мышечных волокон конечностей с учетом длины самой конечности.

Распространение локальных потенциа­лов. Локальные потенциалы (препотенциал, рецепторный потенциал, возбуждающий постсинаптический потенциал — ВПСП) из­меняют мембранный потенциал покоя, как правило, в сторону деполяризации в резуль­тате входа в клетку Na⁺ согласно электрохи­мическому градиенту. В результате этого между участком волокна, в котором возник локальный потенциал, и соседними участка­ми мембраны формируется электрохимичес­кий градиент, вызывающий передвижение ионов. В частности, вошедшие в клетку ионы Na⁺ начинают перемещаться в соседние участки, а ионы Na⁺ на наружной поверхнос­ти клетки движутся в противоположном на­правлении. В итоге поляризация мембраны соседнего участка уменьшится. Фактически это означает, что локальный потенциал из первичного очага распространился на сосед­ний участок мембраны. Он затухает на рас­стоянии 1—2 мм от очага первичной деполя­ризации, что связано с отсутствием ионных управляемых каналов на данном участке мембраны или неактивацией управляемых ионных каналов, продольным сопротивлени­ем цитоплазмы волокна и шунтированием тока во внеклеточную среду через каналы утечки мембраны.

Если возникшая деполяризация мембраны не сопровождается изменением проницае­мости потенциалзависимых натриевых, каль­циевых и калиевых каналов, такую деполяри­зацию называют электротонической. Элек­тротоническое распространение возбужде­ния — физический механизм, оно характерно для тех фрагментов мембран возбудимых кле­ток, где нет потенциалзависимых ионных ка­налов. Такими участками являются, напри­мер, большая часть мембраны дендритов нервных клеток, межперехватные промежут­ки в миелиновых нервных волокнах. Если местный потенциал (рецепторный или ВПСП), распространяясь электротонически, достигает участков мембраны, способных ге­нерировать ПД (аксонный холмик, перехва­ты Ранвье, часть мембраны дендритов и, воз­можно, сомы), но его амплитуда при этом не достигнет критического уровня деполяриза­ции, то такой потенциал называют препотенциалом. В его возникновении и распростра­нении частично участвуют потенциалзависимые ионные каналы, однако при этом нет ре­генеративной (самоусиливающейся) деполя­ризации, характерной для ПД. Поэтому распространение такого потенциала происходит с затуханием амплитуды. Если локальный по­тенциал достигает участков мембраны, спо­собных генерировать ПД, и его амплитуда выходит
на критический уровень деполяриза­ции, формируется ПД, который распростра­няется по всей длине нервного волокна без затухания.

Эффективность электротонического рас­пространения биопотенциалов зависит от физических свойств нервного волокна — со­противления и емкости его мембраны, со­противления цитоплазмы. Электротоничес­кое проведение в нервном волокне улучшает­ся при увеличении его диаметра, что связа­но с уменьшением сопротивления цитоплаз­мы, а также при миелинизации волокна, уве­личивающей сопротивление мембраны (до 10⁵ Ом/см²) и уменьшающей ее емкость (до 0,005 мкФ/см²). Эффективность электрото­нического проведения характеризует посто­янная длины мембраны (λm). Это расстоя­ние, на которое может электротонически распространиться биопотенциал, пока его амплитуда не уменьшится до 37 % от исход­ной величины. Постоянная длины для ло­кальных потенциалов реально не превышает 1 мм, и их амплитуда затухает на расстоянии 1—2 мм от места возникновения.

Для передачи возбуждения на большие расстояния необходимо формирование ПД. В его распространении, кроме электротони­ческого механизма, существенная роль при­надлежит механизму регенеративной деполя­ризации, позволяющей сохранить амплитуду ПД на всем пути его следования.

Проведение потенциала действия. Обязательным условием проведения нервного импульса является на­личие на всем протяжении или в ограничен­ных, но повторяющихся участках волокна потенциалзависимых ионных каналов, ответ­ственных за формирование ПД. В распро­странении ПД можно выделить два этапа: этап электротонического проведения, обу­словленный физическими свойствами нерв­ного волокна, и этап генерации ПД в новом участке на пути его движения, обусловлен­ный реакцией ионных каналов. В зависимос­ти от расположения и концентрации ионных каналов в мембране волокна возможно два типа проведения ПД: непрерывный и сальтаторный (скачкообразный).

Непрерывное распространение ПД осу­ществляется в безмиелиновых волокнах типа С, имеющих равномерное распределение по­тенциалзависимых ионных каналов, участву­ющих в генерации ПД. Проведение нервного импульса начинается с этапа электротони­ческого распространения возникшего ПД. Амплитуда ПД нервного волокна (мембран­ный потенциал + инверсия) составляет около 90 мВ, постоянная длины мембраны (λm) в безмиелиновых волокнах равна 0,1—1,0 мм.

Поэтому ПД, распространяясь на этом рас­стоянии как электротонический потенциал и сохранив как минимум 37 % своей амплиту­ды, способен деполяризовать мембрану до критического уровня и генерировать на всем протяжении новые ПД (рис.5). При этом на этапе электротонического распростране­ния нервного импульса ионы движутся вдоль волокна между деполяризованным и поляри­зованным участками, обеспечивая проведе­ние возбуждения в соседние участки волок­на. Реально при неповрежденном нервном волокне этап чисто электротонического рас­пространения ПД (вдоль мембраны) предель­но мал, так как потенциалзависимые каналы имеются в непосредственной близости друг от друга и, естественно, — от возникшего по­тенциала действия и наблюдается только до достижения деполяризации, равной 50 % Екр. Далее включается перемещение ионов в клетку (нервное волокно) и из клетки за счет активации ионных каналов.

При формировании нового ПД в соседнем участке в фазе деполяризации возникает мощный ток ионов натрия в клетку вследст­вие активации натриевых каналов, приводя­щий к регенеративной (самоусиливающейся) деполяризации. Этот ток обеспечивает фор­мирование нового ПД той же амплитуды, представляющий собой, как обычно, сумму двух величин — мембранного потенциала покоя и инверсии. В связи с этим проведение ПД осуществляется без декремента (без сни­жения амплитуды). Таким образом, непре­рывное распространение нервного импульса идет через генерацию новых ПД по эстафете, когда каждый участок мембраны выступает сначала как раздражаемый (при поступлении к нему электротонического потенциала), а затем как раздражающий (после формирования в нем нового ПД).

 

Сальтаторный (прерывистый, скачкообразный) тип проведения нервно­го импульса осуществляется в миелиновых волокнах (типы А и В), для которых харак­терна концентрация потенциалзависимых ионных каналов только в небольших участ­ках мембраны (в перехватах Ранвье), где их плотность достигает 12 000 на 1 мкм2, что примерно в 100 раз выше, чем в мембранах безмиелиновых волокон. В области миелино­вых муфт (межузловых сегментов), обладаю­щих хорошими изолирующими свойствами, потенциалзависимых каналов почти нет, и мембрана осевого цилиндра там практически невозбудима. В этих условиях ПД, возник­ший в одном перехвате Ранвье, электротонически (вдоль волокна, без участия ионных каналов) распространяется до соседнего перехвата, деполяризуя там мембрану до кри­тического уровня, что приводит к возникно­вению нового ПД, т.е. возбуждение прово­дится скачкообразно (рис. 6). Постоянная длина мембраны миелинового волокна до­стигает 5 мм. Это значит, что ПД, распро­страняясь электротонически на этом рассто­янии, сохраняет 37 % своей амплитуды (около 30 мВ) и может деполяризовать мем­брану до критического уровня (пороговый потенциал в перехватах Ранвье равен около 15 мВ). Поэтому в случае повреждения бли­жайших на пути следования перехватов Ран­вье потенциал действия может электротони­чески возбудить 2—4-й и даже 5-й перехваты. Сальтаторное проведение ПД по миелиновым волокнам является эволюционно более поздним механизмом, возникшим впервые у позвоночных. Оно имеет два важных преиму­щества по сравнению с непрерывным проведением возбуждения. Во-первых, оно более экономично в энергетическом плане, т.к. воз­буждаются только перехваты Ранвье, площадь которых менее 1 % мембраны, и, следователь­но, надо меньше энергии для восстановле­ния трансмембранных градиентов Na⁺ и К⁺, уменьшающихся в процессе формирования ПД. Во-вторых, возбуждение проводится с большей скоростью (см. табл.3), чем в безмиеликовых волокнах, так как возникший ПД на протяжении миелиновых муфт распростра­няется электротонически, что в 10⁷ раз бы­стрее, чем скорость непрерывного проведения ПД в безмиелиновом волокне.