 |
Сущность и механизм процесса возбуждения нейронов
|
|
|
|
Общим свойством живой материи является ее раздражимость. Раздражимость – это реакция отдельных клеток или тканей на действие раздражителя. Раздражитель – это любое изменение внешней или внутренней среды организма, воспринимаемое клетками и вызывающее ответную реакцию. По природе раздражители бывают физические (электрические, механические, температурные, световые) и химические. Частным случаем раздражимости является возбудимость. Возбудимость – это свойство нейрона генерировать потенциал действия (ПД) на раздражение. К возбудимым клеткам относятся только те клетки, которые генерируют потенциал действия. К ним относятся нейроны и мышечные клетки. Проводимость (как общее понятие) – это способность ткани и клетки проводить возбуждение.
Сущность процесса возбуждения заключается в следующем. Все клетки организма имеют электрический заряд, который обеспечивается неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Это различие является следствием работы ионных насосов и неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для разных ионов. При действии раздражителя на клетку возбудимой ткани изменяется проницаемость ее мембраны (обычно сначала повышается проницаемость для Na+ и быстро возвращается к норме, затем так же, но более медленно изменяется проницаемость для К+), вследствие чего ионы быстро перемещаются в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту. Таким образом, процесс возбуждения – это ответная реакция возбудимой клетки на раздражение, выражающаяся в быстром перемещении ионов в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту.
Потенциал покоя
Потенциал покоя (ПП), или мембранный потенциал – это разность между электрическими потенциалами внутренней и наружной среды клетки. Для каждой клетки величина ПП своя. Так для нервных клеток он составляет 50-80 мВ, для сердечной мышцы – 80-90 мВ, для волокон скелетной мышцы – 60-90 мВ. При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микроэлектродом скачком отклоняется и показывает отрицательный заряд внутри клетки.
|
|
|
Потенциал покоя (ПП) играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самой клетки и организма в целом. В частности, он составляет основу возбуждения и переработки информации нервной клеткой, обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце.
В формировании ПП основную роль играют проницаемость клеточной мембраны и проводимость. Проницаемость клеточной мембраны – это ее способность пропускать воду, незаряженные и заряженные частицы (ионы) в соответствии с законом диффузии и фильтрации. Проводимость – это способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембрану согласно электрохимическому градиенту.
Внутри клетки и вне нее находятся различные анионы и катионы, такие как Na+, K+, Cl-, HCO3-, Ca2+, Mg2+, крупномолекулярные анионы (молекулы белка, органические фосфаты).
Na+ и К+ в покоящейся клетке перемещаются через ее мембрану в соответствии с законами диффузии, при этом К+ из клетки выходит в значительно большем количестве, чем входит Na+ в клетку, поскольку проницаемость клеточной мембраны для К+примерно в 25 раз больше, чем проницаемость для Na+.
Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выходить из клетки, поэтому внутри клетки в состоянии покоя отрицательных ионов больше, чем положительных.
По этой причине клетка изнутри имеет отрицательный заряд.
Непосредственной причиной формирования ПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки (мембранно-ионная теория).
|
|
|
1. Главным ионом, обеспечивающим формирование ПП, является ион К+. В покоящейся клетке устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К+, то есть устанавливается так называемый равновесный потенциал, когда электрический и химический градиенты уравновешиваются и перестают противодействовать друг другу (противодействие: согласно химическому градиенту К+ стремится выти из клетки, но отрицательный заряд внутри клетки и положительный заряд вне ее препятствуют этому).
2. Ионы Na+ тоже участвуют в формировании ПП: согласно концентрационному и электрическому градиентам, стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. ПП при этом уменьшается, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, а часть отрицательно заряженных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительными ионами Na+. То есть вход ионов натрия внутрь клетки уменьшает ПП.
3. Анионы Cl-, проникая внутрь клетки, увеличивают ПП и тем самым принимают непосредственное участие в формировании ПП.
4. Ионы Са2+, взаимодействуя с наружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки и отрицательными карбоксильными группами интерстиция, нейтрализуют их, что ведет к увеличению и стабилизации ПП.
Выводы:
· ПП – это производное равновесных потенциалов всех ионов, находящихся внутри и вне клетки, и поверхностных зарядов мембраны клетки.
· ПП – это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но и отрицательных внешних и внутренних поверхностных зарядов самой клеточной мембраны.
Кроме собственных ионных механизмов формирования ПП еще имеется и активный механизм поддержания градиентов концентраций различных ионов внутри и вне клетки. К таким механизмам относятся ионные насосы. Ионные помпы обеспечивают перенос ионов вопреки химическому и электрическому градиентам и тем самым поддерживают постоянную разницу концентраций ионов вне и внутри клетки.
Потенциал действия
Потенциал действия (ПД) – это электрофизиологический процесс, выражающийся в быстром колебании мембранного потенциала покоя вследствие перемещения ионов в клетку и из клетки и способный распространяться без декремента.
|
|
|
ПД обеспечивает передачу сигналов между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами. Величина ПД колеблется в пределах от 80-130 мВ; длительность пика ПД нервного волокна 0,1-1 мс. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силы. В составе ПД различают три фазы: 1) деполяризацию, то есть исчезновение заряда клетки (уменьшение МП до нуля); 2) инверсию, то есть изменение заряда клетки на обратный, когда внутренняя сторона мембраны заряжается положительно, а внешняя – отрицательно; 3) реполяризацию, то есть восстановление исходного заряда клетки, когда внутренний заряд снова становится отрицательным, а внешний – положительным.
Механизм возникновения потенциала действия
1. Фаза деполяризации. При действии раздражителя на клетку начальная частичная деполяризация клеточной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины, возрастает проницаемость мембраны для Na+, причем в первый момент сравнительно медленно. В этот период движущей силой, обеспечивающей движение Na+ в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Вспомним, что клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются), а концентрация Na+ вне клетки в 10-12 раз больше, чем внутри клетки. Условием, обеспечивающим дальнейший вход Na+ в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, который определяется состоянием воротного механизма натриевых каналов. Воротный механизм натриевых каналов расположен на внешней и внутренней стороне клеточной мембраны, воротный механизм калиевых каналов – только на внутренней стороне мембраны. В каналах для натрия имеются активационные m-ворота, которые расположены с внешней стороны клеточной мембраны, и инактивационные h-ворота, расположенные с внутренней стороны мембраны. В условиях покоя активационные m-ворота закрыты, инактивационные h-ворота открыты. Калиевые активационные ворота закрыты, а инактивационных калиевых ворот нет. Когда деполяризация клетки достигает критической величины, которая обычно составляет 50 мВ, проницаемость мембраны для Na+ резко возрастает, так как открывается большое количество потенциалзависимых m-ворот натриевых каналов и ионы натрия лавиной устремляются в клетку. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, соответственно, проводимости натрия: открываются все новые и новые активационные m-ворота. В итоге ПП исчезает, то есть становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается. Ее длительность составляет примерно 0,2-0,5 мс.
|
|
|
2. Фаза инверсии. Процесс перезарядки мембраны представляет собой вторую фазу ПД – фазу инверсии. Фаза инверсии делится на восходящую и нисходящую составляющие. Восходящая часть. После исчезновения ПП вход в клетку ионов натрия продолжается, так как натриевые активационные m-ворота еще открыты. В результате заряд внутри клетки становится положительным, а снаружи-отрицательным. В течение доли миллисекунды ионы натрия еще продолжают входить в клетку. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД обеспечивается в основном входом Na+ в клетку. Нисходящая составляющая фазы инверсии. Примерно через 0,2-0,5 мс после начала деполяризации рост ПД прекращается в результате закрытия натриевых инактивационных h-ворот и открытия калиевых активационных ворот. Поскольку калий находится преимущественно внутри клетки, он, согласно концентрационному градиенту, начинает быстро выходить из нее, вследствие чего уменьшается число положительно заряженных ионов в клетке. Заряд клетки снова начинает уменьшаться. Во время нисходящей составляющей фазы инверсии выходу ионов калия из клетки способствует также и электрический градиент. К+выталкивается положительным зарядом из клетки и притягивается отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки. Калий выходит из клетки не только по управляемым каналам, но и по неуправляемым каналам – каналам утечки. Амплитуда ПД складывается из величины ПП и величины фазы инверсии, составляющей у разных клеток 10-50 мВ.
3. Фаза реполяризации. Пока активационные калиевые каналы открыты, K+ еще продолжает выходить из клетки, согласно химическому градиенту. Заряд внутри клетки становится отрицательным, а снаружи – положительным, следовательно, электрический градиент резко тормозит выход ионов калия из клетки. Но так как сила химического градиента больше силы электрического градиента, ионы калия продолжают очень медленно выходить из клетки. Затем активационные калиевые ворота закрываются, остается только выход ионов калия по каналам – утечки, то есть по концентрационному градиенту через неуправляемые каналы.
|
|
|
Таким образом, ПД вызывается циклическим процессом поступления ионов натрия в клетку и последующего выхода калия из нее. Роль Са2+ в возникновении ПД в нервных клетках незначительна. Однако Са2+ играет очень важную роль в возникновении ПД сердечной мышцы, в передаче импульсов от одного нейрона к другому, от нервного волокна к мышечному, в обеспечении мышечного сокращения.
Вслед за ПД возникают следовые явления, характерные для нейронов – сначала следовая гиперполяризация, а затем следовая деполяризация. Следовая гиперполяризация клеточной мембраны обычно является следствием еще сохраняющейся повышенной проницаемости мембраны для ионов калия. Следовая деполяризация связана с кратковременным повышением проницаемости мембраны для Na+ и входом его в клетку согласно химическому и электрическому градиентам.
Обычно возбудимость клетки во время ее возбуждения быстро и сильно изменяется. Она может незначительно увеличиться, тогда возникает так называемый локальный потенциал. Этот потенциал характеризуется неимпульсной природой, то есть он не распространяется. Кроме этого существуют: а) так называемая фаза абсолютной рефрактерности, или полная невозбудимость клетки. Она приходится на пик ПД и продолжатся 1-2 мс; и б) фаза относительной рефрактерности – период частичного восстановления клетки, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение. Относительная рефрактерность соответствует конечной части фазы реполяризации и следовой гиперполяризации клеточной мембраны. У нервных волокон она составляет несколько миллисекунд. В нейронах ЦНС вслед за гиперполяризацией возможна частичная деполяризация клеточной мембраны. В этот период очередной потенциал действия можно вызвать более слабым раздражением, так как МП несколько меньше обычного. Этот период называется фазой экзальтации (период повышенной возбудимости, соответствующий деполяризации при развитии ПД).
Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность. Лабильность, или функциональная подвижность, - это скорость протекания одного цикла возбуждения, то есть ПД. Мерой лабильности возбудимого образования является максимальное число ПД, которое он может воспроизвести в 1 секунду. Так лабильность нервного волокна составляет 500-1000 имп/с, нервно-мышечного синапса – порядка 100 имп/с.
Обычно возбуждение продолжается менее 1 мс и подобно взрыву. Такой «взрыв» протекает мощно, но быстро завершается. Возбуждение одной клетки может вызвать возбуждение другой. Раздражение, которое вызывает возбуждение других центральных нейронов, называется иррадиацией возбуждения.
Торможение – процесс обратный возбуждению, в результате которого возбуждение прекращается или затрудняется.
Оценка возбудимости клетки
Возбудимость клетки изменяется не только в процессе возбуждения, но и при изменении химического состава внеклеточной жидкости. Например, при недостатке кислорода развивается инактивация натриевых каналов, и клетка становится невозбудимой. При снижении концентрации Na+ вне клетки этот ион в меньшем количестве входит в клетку, в результате чего снижается ее возбудимость вследствие гиперполяризации мембраны. Это наблюдается, например, при бессолевой диете. Показателями состояния возбудимости ткани являются пороговый потенциал, пороговая сила и пороговое время.
1. Пороговый потенциал – минимальная величина, на которую надо уменьшить МП, чтобы вызвать возбуждение. Возбудимость и пороговый потенциал находятся в обратном соотношении: чем меньше пороговый потенциал, тем выше возбудимость клетки. Однако во всех случаях ПД возникает только при достижении критического уровня деполяризации клеточной мембраны. Критический уровень деполяризации (КУД) – это минимальная деполяризация клеточной мембраны, при которой возникает потенциал действия. КУД клеточной мембраны нейрона обычно составляет около -50 мВ. Пороговый потенциал можно рассчитать по формуле: δV = Е0 - Екр , где δV – пороговый потенциал; Е0- ПП, или МП; Екр- КУД. При изменении концентрации Са2+ и рН среды так же может измениться возбудимость клетки. Если концентрация Са2+ в среде повышается, то возбудимость клетки падает, так как МП (Е0) возрастает и КУД увеличивается, а при снижении концентрации Са2+ возбудимость возрастает, так как МП уменьшается. Такое повышение возбудимости лежит в основе синдрома тетании, связанного с дефицитом Са2+ в крови. Изменение рН в среде действует на возбудимость нейронов так же, как и изменения концентрации ионов кальция. Пороговый потенциал, не смотря на свою исключительную точность, в эксперименте используется реже, так как требует сложности в определении.
2. Пороговая сила – наименьшая сила раздражителя, способная вызвать импульсное возбуждение при неограниченном ее действии во времени. Большая пороговая сила свидетельствует о низкой возбудимости ткани. Обычно раздражителем в эксперименте используется электрический ток. Наименьшая сила тока, способная вызвать ПД, называется реобазой. Если раздражитель по своей амплитуде меньше реобазы, то возбуждение не возникает. Если раздражитель нарастает постепенно и медленно, то возникает аккомодация, то есть понижение возбудимости клетки, вплоть до полного исчезновения ПД. Аккомодация – это своеобразное привыкание клетки к раздражителю.
3. Пороговое время – минимальное время, в течение которого раздражитель пороговой силы должен действовать на ткань, чтобы вызвать ее возбуждение. Пороговое время называют также полезным временем, так как раздражитель обеспечивает деполяризацию только до критического уровня. Затем ПД развивается независимо от действия раздражителя. В эксперименте и в клинической практике обычно используют не полезное время, а хронаксию – наименьшее время, в течение которого должен действовать ток в две реобазы, чтобы вызвать возбуждение. Измерение хронаксии позволяет уточнить характер повреждения мышцы и ее нерва.
Благодаря применению выше изложенных параметров были сделаны следующие практические выводы:
· Высокочастотный переменный ток (> 10 кГц) опасности для организма не представляет, так как при сверхкоротком воздействии на ткань импульс электрического тока дает лишь тепловой эффект. Данный феномен используется в клинической практике для глубокого прогревания тканей при различных патологических процессах.
· Низкочастотный переменный синусоидальный ток (50 Гц) стимулирует возбудимые ткани. Поэтому стимулы синусоидального тока большого напряжения опасны для жизни.
|
|
|
