Общая физология нервной системы

В многоклеточном организме деятельность каждой клетки подчинена жизнедеятельности всего организма. Взаимосвязи между клетками осуществляются, начиная с прямого контакта между ними, с помощью веществ, которые выделяются в кровь и носят название гормонов - это гуморальный путь передачи информации. Также передача информации от одной клетки к другой осуществляется с помощью биоэлектрических потенциалов. Это наиболее быстрый и наиболее эффективный способ передачи. Поэтому у многоклеточных организмов развилась специальная система, которая обеспечивает восприятие, передачу, хранение и воспроизведение информации, которая закодирована в электрических сигналах – нервная система. Нервный механизм регуляции является более совершенным, чем гуморальный, так как скорость распространения достигает 100-120 м/с. Кроме того, нервы идут к определённым органам, в связи с чем ответные реакции не только быстрые, но и более точные.

Чтобы понять природу сигналов, с помощью которых осуществляется передача информации, необходимо рассмотреть некоторые свойства тканей организма. Возбудимыми тканями, которые способны передавать биоэлектрические потенциалы, являются нервная, мышечная и железистые ткани. Клетки этих тканей обладают раздражимостью, то есть способностью под влиянием факторов внешней и внутренней среды, так называемых раздражителей, переходить из состояния физиологического покоя в состояние активности. Другими словами раздражимость – это способность клеток отвечать на внешние воздействия той или иной формой деятельности, например, усилением метаболизма, сокращением, делением или генерацией электрического импульса. Характерным признаком раздражимости является то, что энергия для этих реакций возникает не за счёт внешних воздействий, а в результате внутриклеточных процессов, которые запускаются внешним воздействием. Поэтому сила и форма реакции не определяется силой внешнего сигнала.

Все раздражители, действующие на клетку, делятся на адекватные и неадекватные. Первые вызывают возбуждение даже при очень малой силе возбуждения и к их воздействию клетки эволюционно приспособлены (свет для фоторецепторов глаза, звук для слуховых рецепторов). Для нервных и мышечных клеток такими адекватными раздражителями являются электрический ток и некоторые химические вещества, продуцируемые другими клетками. Раздражители, к действию которых клетки – рецепторы – эволюционно не приспособлены и, которые для возникновения возбуждения должны обладать очень высокой силой, называются неадекватными (механическое воздействие на глаз, электрическое – на любые рецепторы). По характеру раздражающего стимула раздражители делятся на физические (температура, давление, свет, звук), физико-химические (изменение рН, коллоидного состояния), химические (гормоны, продукты обмена), механические (прикосновение). Минимальная сила раздражителя, необходимая для возбуждения клетки, является пороговой или порогом. Раздражитель меньшей силы называется соответственно подпороговым, а большей – надпороговым.

Потенциал покоя

Возбудимым клеткам при отсутствии пороговых раздражителей свойственно состояние физиологического покоя. Некоторые внешние воздействие могут вызывать в клетках реакции с отрицательным знаком (уменьшение возбудимости, метаболизма, роста). Такие реакции получили название торможения, оно может вызываться как влияниями из окружающей среды, так и влиянием со стороны других клеток организма.

Для исследования электрических явлений в нервных клетках применяют микроэлектродные методики. В результате этого выяснено, что клеточная мембрана поляризована, то есть имеет разный электрический заряд на внешней и внутренней стороне. Эта величина составляет примерно около 70 мВ и называется мембранным потенциалом покоя (МПП). Чтобы понять причину поляризации мембраны надо рассмотреть свойства самой мембраны, а также ионный состав внутриклеточной жидкости и внеклеточной среды. Мембрана имеет толщину 5-10 нм. Состоит из липидов, белков и мукополисахаридов. Бимолекулярный слой липидов является матриксом мембраны. Белки, вкрапленные в липидный матрикс, образуют каналы для воды и ионов, формируют ионные насосы и т.д. Мукополисахариды, располагаясь в виде «деревьев» на поверхности мембраны, осуществляют рецепторные функции. Мембрана легко проницаема для жирорастворимых веществ, молекулы которых проникают через липидный матрикс. Крупные водорастворимые молекулы, в том числе анионы органических веществ, через мембрану практически не проходят. Кроме того, в мембране нервной клетки существуют каналы, проницаемые для воды, малых ионов и молекул водорастворимых веществ. В мембране существуют специфические (селективные) натриевые, калиевые, хлорные и кальциевые каналы, то есть каналы избирательно пропускающие только натрий, калий, хлор или кальций. Эти каналы обладают воротными механизмами и могут находиться в открытом или закрытом состоянии. Кроме того, мембрана имеет неспецифические каналы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для натрия, калия и хлора (хотя больше всего проницаем для калия). Эти каналы не имеют воротных механизмов, они всегда открыты и почти не меняет своего состояния при электрических воздействиях на мембрану.

Важным условием для существования мембранного потенциала покоя является отличие ионного состава аксоплазмы от ионного состава внешней среды. Эти различия постоянны и сводятся к тому, что в аксоплазме по сравнению с окружающей средой меньше ионов натрия, больше калия и значительно больше органических анионов. Что касается катионных различий, то они являются результатом работы так называемого натрий-калиевого насоса мембраны, который непосредственно откачивает натрий из клетки в обмен на калий. Перенос ионов против градиентов их концентраций называют активным ионным транспортом в отличие от пассивного транспорта - утечки ионов. Натрий-калиевый насос работает, потребляя энергию АТФ, его основным компонентом является фермент – натрий-, калий-АТФ-аза. В норме АТФ поступает из аксональных митохондрий. Таким образом, утечка калия создает разность электрических потенциалов между средой и аксоплазмой в условиях, когда вход натрия в клетку или выход из неё органических анионов (что могло бы компенсировать нарушения электронейтральности от потери калия) исключены свойствами самой покоящейся мембраны.

В естественных условиях кроме утечки ионов в формировании мембранного потенциала покоя принимает участие еще один добавочный механизм – прямой электрогенный эффект натрий-калиевого насоса. Он состоит в поляризации мембраны, которая возникает при неравенстве числа ионов натрия и калия, которые переносятся в каждом цикле работы. В нервных волокнах и клетках соотношения натрия и калия равно 3:2. В миелинизированных нервных волокнах мембранный потенциал покоя составляет 70 мВ. Электрогенный эффект насоса в нормальной среде близок к нулю. Только при повышенной концентрации калия снаружи этот эффект усиливается и может достигнуть 3-4 мВ.

В самой мембране мембранный потенциал покоя проявляется как электрическое поле значительной напряженности (10⁵ В/см). Это поле воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенную пространственную ориентацию. Электрическое поле мембранного потенциала покоя обеспечивает закрытое состояние так называемых активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим обеспечивается состояние покоя и готовности к возбуждению.

Потенциал действия

Потенциал действия (ПД) возникает в ответ на действие порогового раздражителя при достижении критического уровня деполяризации. Это очень быстрый кратковременный процесс. В потенциале действия различают пик (спайк) и следовые потенциалы. Пик потенциала действия представляет собой кратковременную инверсию внутриклеточного потенциала. Он имеет быструю S-образную восходящую фазу и несколько более медленный спад. Общая длительность пика составляет около 3 мс, а амплитуда 110 мВ, то есть превышает мембранный потенциал покоя (70 мВ) на 40 мВ. Эту разницу называют овершутом. Вслед за пиком потенциала действия регистрируются значительно более слабые и длительные отрицательные и положительные следовые потенциалы. Потенциал действия имеет стандартные амплитуду и временные параметры, не зависящие от силы стимула, вызвавшего данный потенциал действия (правило «всё или ничего»). Причиной развития потенциала действия является вызываемое критической деполяризацией мембраны открытие её натриевых и калиевых каналов. Каналы, открываемые электрическим стимулом, называют потенциалозависимыми.

Вход ионов натрия в клетку обеспечивает восходящую фазу пика потенциала действия, то есть деполяризацию. В это время происходит инверсия потенциала на мембране. Несколько запаздывающий выход ионов калия участвует в создании нисходящей фазы пика - реполяризации. Быстрый входящий натриевый ток и медленный выходящий калиевый ток возникают практически одновременно, но натриевый быстрее развивается, достигая своего потолка. Если мембранный потенциал покоя возвращается к величине, характерной для покоя, то натриевый ток и исчезает в 10 раз быстрее, чем калиевый. Можно сказать, что натриевые каналы мембраны и активируются (деполяризацией), и деактивируются (реполяризацией) быстрее, чем калиевые.

Активация каналов определяется открытием их активационных ворот (соответствующим изменением конформации некоторых макромолекул), а деактивация - закрытием этих же ворот. Вследствие деполяризации, но значительно позже, чем активация развивается такой процесс как инактивация натриевых каналов. Инактивация заключается в закрытии специальных инактивационных ворот в натриевых каналах. Инактивация очень важный механизм, который способствует прекращению пика потенциал действия, развитию временной невозбудимости – рефрактерности. Она устраняется после реполяризации мембраны.

Отрицательный следовой потенциал связан с остаточным током натрия, с накоплением калия в межклеточных щелях. Положительный следовой потенциал обеспечивается остаточным током калия, но, главным образом, электрогенной работой натрий-калиевого насоса мембраны. Работа последнего активируется накоплением натрия под мембраной, а калия в межклеточных щелях.

При развитии деполяризации имеют место подпороговые изменения мембранного потенциала, которые проявляются в форме так называемого локального ответа. Первые признаки локального ответа появляются при действии стимула, составляющего 50-75% от пороговой величины. Локальный ответ также как и потенциал действия обусловлен повышением проницаемости мембраны для натрия. Но этого повышения недостаточно, чтобы вызвать быструю деполяризацию. Кроме того, она тормозится инактивацией натриевых и активацией калиевых каналов. Амплитуда локального ответа пропорциональна силе подпорогового раздражителя, а не стандартна, как у потенциала действия, то есть не подчиняется закону «всё или ничего». Амплитуда локального ответа увеличивается по мере приближения стимула к пороговой величине, а затем он перерастает в потенциал действия, так как скорость увеличения натриевой проницаемости мембраны начинает превышать скорость роста калиевой проницаемости.

Потенциал действия в телах нейронов имеют некоторые особенности. Мембранный потенциал покоя сомы составляет 100 мВ и более, по форме он схож с аксонным. Но ионные механизмы потенциала действия сомы имеют существенные отличия от механизмов для нервных волокон. Главное отличие состоит в том, что здесь потенциал действия генерируется не только за счет входящего тока натрия, как в аксоне, но и за счет входящего тока ионов кальция.

В соматической мембране находятся специальные кальциевые, каналы, открываемые деполяризацией. Кальциевый ток развивается медленнее натриевого и гораздо медленнее инактивируется (несколько секунд). Каждый из ионных каналов, который обладает воротным механизмом, даже при постоянстве мембранный потенциал покоя и химического состава среды, не находится в одном состоянии: он то открывается, то закрывается. Этот переход от открытого к закрытому состояния подчиняется закону случая. Хаотическое открытие и закрытие каналов порождает перемещение ионов, создает электрический шум. При фиксации потенциала в очень малом участке мембраны, удается регистрировать и токи одного канала. Эти токи имеют прямоугольную форму. Типичная плавная форма потенциала дествия является результатом неодновременного открытия и закрытия массы каналов.

В различные фазы развития потенциала действия изменяется возбудимость клеточной мембраны. Во время развития локального ответа, возбудимость повышается (мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации), во время пика потенциала действия мембрана утрачивает возбудимость, что получило название фазы абсолютной рефрактерности. После окончания пика она постепенно восстанавливается и этот период называется относительной рефрактерностью и совпадает с периодом реполяризации. Абсолютная рефрактерность объясняется полной инактивацией натриевых каналов и повышением калиевой проводимости. Реполяризация мембраны ведет к реактивации натриевых каналов и снижению калиевой проводимости. Длительность относительной рефрактерности составляет 5-10 мс. При наличии следовой деполяризации она сменяется фазой повышенной возбудимости (супернормальности). Изменение возбудимости клетки имеет значение при её ответах на ритмическое раздражение. В фазу абсолютной рефрактерности клетка не отвечает на сигнал любой силы. Это имеет защитное значение, так как охраняет клетку от слишком большой частоты раздражителей. Во время абсолютной рефрактерности клетка отвечает только на сверхсильные раздражители, а в фазу супернормальности – на любой, даже подпороговый, раздражитель.