Механизмы возникновения и передачи нервного импульса В главе 16 излагаются химические аспекты структурнофункциональной организации нервной системы, при этом особое внимание обращается нахимические основы возникновения и передачи нервных импульсов,молекулярной рецепции, кратко рассматриваются современные представленияо механизмах памяти, обучения, эмоций и опущений (вкуса, запаха). Содержание данной главы логически взаимосвязано с содержанием последующих глав раздела. [c.456] МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА Какие молекулярные возникновения ипередачи механизмы лежат нервного импульса в основе [c.474] Позвольте мне проиллюстрировать этот тезис. Истинная функция нейрона — передача сигналов. Однако мы увидим (гл. 5), что в нервной системе существуют только два типа сигналов электрические и химические. Важно отметить, что сам сигнал содержит очень мало информации. Его специфичность зависит от мест возникновения и приема, т. е. от клеток органов, между которыми он передается. Так, например, причина того, что мы слышим, а не видим звук, кроется не в электрическом или химическом коде нервного импульса, а в том, что зрительная кора затылочной доли головного мозга соединена с нейронами сетчатки, а не уха. При электрическом или механическом, а не оптическом воздействии на сетчатку мы также будем видеть . Любой, у кого искры из глаз сыпались после сильного удара, может подтвердить это. Следовательно, качественно информация, передаваемая нейроном, зависит исключительно от специфичности его соединения, и толькоколичественная характеристика содержится, по-видимому, в самом сигнале сильный стимулятор посылает больше нервных импульсов от рецептора к воспринимающему органу, чем слабый. Опять же нервные импульсы, скажем, оптической или акустической области нашей нервной системы практически неотличимы от нервных импульсов в совершенно других системах, например у более примитивных форм жизни. Сами по себе эти импульсы очень малоинформативны даже для узкого специалиста. Таким образом, нейрохимик, изучающий биохимию нейронов, может выяснить только механизм возникновенияи передачи сигналов, специфическое содержание (смысл) сигналов недоступно его методам. Он может изучать общие молекулярные реакции, лежащие в основе обработки сигналов, но не результаты этой обработки, т. е. информацию . [c.8] Какова бы ни была роль регуляции числа мотонейронов у эмбриона, ее механизм находится в интересной зависимости от мышечной активности. Узародышей позвоночных начинаются беспорядочные, конвульсивные движения почти сразу же после того, как у них начинают формироваться нервно-мышечные соединения. Эти движениярезультат спонтанного возникновения нервных импульсов в центральной нервной системе, и они наблюдаются даже у тех эмбрионов, у которых сенсорные нейроны разрушены. Если зародыша обработать ядом, блокирующим передачу в нервно-мышечных соединениях (таким, как кураре), то даижения прекратятся. Можно было бы предположить, что подобное воздействие либо никак не повлияет на гибель мотонейронов, либо усилит ее. Насамом деле эта обработка дает противоположный эффект до тех пор пока поддерживается блокада, практически все мотонейроны сохраняются. Каков бы ни был механизм этого явления, ясно, что /мышечная активность важна длянормального развития двигательной систе мы, точно так же как получение внешних стимулов необходимо для нормального развития сенсорных систем (см. ниже) в обоих случаях электрические сигналы способствуют поддержанию нервных связей. [c.144] В настоящее время достаточно много известно о молекулярных механизмахвозникновения и проведения нервного импульса и механизмах синаптической передачи импульса. Что касается интегральных функций мозга, то мы не знаем, как работает наш мозг, например, когда мы протягиваем руку, чтобы нажать на определенную клавишу компьютера, а тем более когда мы избегаем опасности поставить неправильный диагноз болезни. Современное состояниенейробиохимических исследований можно охарактеризовать лишь как поиски подходов к таким проблемам. [c.531] Генерация нервного импульса представляет собой динамический процесс, сопровождающийся структурными изменениями в возбудимой мембране. Эти изменения проявляются как изменения ионной проницаемости, а также реакционноспособ-ности функциональных групп к специфичным реагентам. [1] Генерация нервного импульса вызывается перемещением ионов через мембрану нервной ( или другой возбудимой) клетки. Схематически система, ответственная за генерацию импульса, может быть представлена в виде двух отсеков, ргзде-ленных мембраной. [2] Исследование генерации нервного импульса и его распространения в аксоне - старая и традиционная проблема биофизики / Уже Гельмгольц измерял скорость распространения нервного возбуждения / В настоящее время решены важные физические задачи, относящиеся к функции аксона. Напротив, современное состояние науки позволяет лишь формально моделировать работу центральной нервной системы и мы еще далеки от понимания физической природы высших ее функций - памяти и мышления. [3] Проблема генерации нервного импульса в ответ на раздражение аксона исследовалась экспериментально и теоретически во множестве работ. Эта проблема уже затрагивалась в § § 4.1 и 4.2. Трудности ее изучения в значительной мере связаны с отсутствием прямой информации о соответствующих молекулярных процессах. Приходится строить теоретические и полуэмпирические модели, основанные на косвенных данных, полученных в опытах, в которых мембраны подвергаются различным физическим и химическим воздействиям. [4] Возможность возникновения концентрационных колебаний была показана в выдающихся исследованиях механизма генерации нервного импульса ( Hodgkjn, Huxley, 1952; Ходжкин, 1965) и внутриклеточной регуляции синтеза ферментов ( Mono. [5] Следовательно, корреляция спайковой активности отдельных нейронов не зависит от самого механизмагенерации нервных импульсов. Поэтому должен существовать специальный механизм, осуществляющий вязь спайковых разрядов соседних нейронов. Скорее всего, функцию этого механизма эффективно выполняет микроструктура медленных потенциалов, возникающих на контактах между нейронами. Таким образом, маловероятно что устойчивое состояние и дискретные нейронные процессы являются взаимосвязанными процессами и отражают друг друга. Правила преобразования, которые позволяют перекодировать один процесс в другой, должны быть определены эмпирически для каждого из тех условий, которые интересуют исследователей. На данном этапе исследования любые общие утверждения относительно типов таких преобразований являются, вероятно, преждевременными. [6] Во-первых, это любые триггерные, пороговые процессы переключения системы из одного режима в другой, например, генерация нервного импульса или сокращение мышцы. [7] Чем значительнее емкость конденсатора, тем больше зарядов абсорбируется, до тех пор пока не достигается деполяризация, необходимая для генерации нервного импульса. [8] Мы не в состоянии пока ответить на вопросы, каким образом фотовозбуждение единственной молекулы пигмента может вызвать прохождение тока через синапс на отдаленном конце рецепторной клетки и как благодаря ничтожно малой энергии всего лишь одного фотона могут осуществляться значительные перемещения заряда, необходимые для генерации нервного импульса. Считают, что молекулы пигментов каким-то образом контролируют ионные каналы через внутренние мембраны рецепторных клеток. Фотовозбуждение молекулы пигмента вызывает изменение ее конфигурации или заряда. В результате этого открывается канал и возникает поток ионов, который вызывает поляризацию клетки и таким образом стимулирует синапс. Затем ионные насосы должны получить энергию для восстановления нормального распределения ионов. Такой механизм может объяснить необходимое усиление и быстроту реакции на относительно большом расстоянии. [9] Na и К 1; т, п и h - безразмерные нормированные величины, характеризующие плотность открытых каналов; т носит название натриевой активации; h - натриевая инактивация; п - калиевая активация; jt - неидентифицированный ток утечки; J0 - внешний ток, с помощью которого можно управлять режимом мембраны и вызывать генерацию нервных импульсов. [10] Это неравновесное распределение ионов поддерживается специальными механизмами, встроенными в мембрану. Однако для генерации нервного импульса происхождение разности концентраций несущественно, важно только наличие этой разности. [11] Модель описывает генерацию стандартного сигнала в ответ на малое, но конечно 1 внеш. Модель ( 5) используют при описании генерации нервного импульса, возникновения биол. [12] Проблемы активного транспорта, описанные здесь, имеют непосредственное отношение к возбудимым мембранам. Рассмотрение свойств этих мембран в связи с генерацией нервного импульса приведено в гл. [1] Эти несколько замечаний показывают, что данный случайный процесс более сложен, чем чистый дробовой шум. Возможно, что могло бы быть уместным предположение о некоторой корреляции между д моментамигенерации нервных импульсов. [2] В течение многих лет было невозможно провести различие между потенциалами и теми пейсмекерамп, которые связаны с явлением нарастания и убывания нейроэлектрических состояний, возникающих в микроструктуре соединений. Но, как уже было отмечено, Соколов ( 1970) показал, что в определенных лабораторных условиях механизм генерации аксонных нервных импульсов мошет действовать относительно независимо от изменений медленных потенциалов мембраны тела клетки. [3] Одна из них была хорошо обоснована, другая - нет. Первая касалась вопросов генерации нервных импульсов и их передачи через синапсы. Другая имела отношение к электрическим полям, создаваемым потенциалами мозга. [4] К гДа внешний ток невелик, устанавливается новый стационарный потенциал. Однако если деполяризация превзойдет некоторый порог ( - - 20 мв), то дальнейший процесс деполяризации идет с самоускорением. Этот процесс и есть генерация нервного импульса. Он происходит в ответ на надпорого-вую ступенчатую деполяризацию мембраны. Если ступенчатая деполяризация достаточно велика, то наступает автогенерация. [5] Поскольку современные биохимические и физико-химические методы развиваются очень быстро, можно ожидать, что вскоре накопится обширная информация о циклах превращений зрительных пигментов и их промежуточных продуктах, а также об опсин-хромофорных взаимодействиях, особенно для родопсина палочек. Пройдет, однако, еще немало времени, прежде чем станут известны все детали структуры некоторых короткоживу-щих промежуточных продуктов, что позволит оценить значение небольших изменений конформации, взаимодействий белок - хромофор и особенностей поглощения света. Следует также выяснить механизм генерации нервного импульса в ответ на поглощение фотона зрительным пигментом. Даже после того как мы ответим на некоторые вопросы о функционировании родопсина у тех немногих видов, которые наиболее подробно изучены ( человек, крыса, крупный рогатый скот), предстоит огромная работа по изучению биохимии цветового зрения у млекопитающих, а также зрительных пигментов и циклов их превращений у других животных. [6] Дедал вспоминает, что основу механизма памяти, как и всех прочих функций человеческого мозга, составляют так называемые синапсы - области контактов нейронов друг с другом и с клетками исполнительных органов. Сигнал, передаваемый от клетки к клетке, имеет химическую природу. По команде нейрона соответствующее нервное окончание выделяет особое химическое веществопередатчик, которое вызывает генерацию нервного импульса в другой клетке. Новые нервные импульсы, распространяясь по нервным волокнам, вызывают в свою очередь возбуждение все новых нервных клеток. Механизм действия транквилизаторов обычно состоит в том, что молекулы этих веществ блокируют действие веществ-передатчиков; некоторые такие лекарства оказывают нежелательное побочное действие на память. [7] Мембранная теория встречается, однако, с трудностями при попытках объяснить тепловые явления в нерве. Если перенос ионов адиабатичен, то система, совершая электрическую работу, должна охлаждаться. Эти тепловые явления до сих пор не объяснены. Несомненно, что мембрана аксона представляет собой диссипативную систему, и можно думать, что к рассмотрению генерации нервного импульса применима неравновесная термодинамика. Соответствующая теория еще не построена, она должна описать и теплопродукцию нерва. Подлинное объяснение этих явлений требует, однако, раскрытия их молекулярных механизмов. [8] Он обнаружен в продуктах животного происхождения. Пигмент каротин ( оранжевого цвета), присутствующий в моркови, и схожие пигменты, называемые каротинами, часто встречающиеся в растениях, могут преобразовываться в витамин А в процессе пищеварения. Структура каротинов и витамина А особенно хорошо адаптирована для поглощения света, как в растениях в форме каротинов, так и у животных, у которых витамин А превращается в светопоглощающую молекулу ретиналь. Три группы животных, у которых имеются глаза ( моллюски, членистоногие и позвоночные), используют ретиналь в качестве светопоглощающей части фоторецепторных молекул. Свет вызывает довольно большие изменения в структуре ретиналя, достаточные для генерации нервного импульса. [9] Эти данные, а также другая работа Томпсона ( Thompson and Spenser, 1966) показывают, что привыкание связано с взаимодействием нескольких нейронов. Томпсон использовал препарат, принесший известность Шеррингтону: животное, у которого спинной мозг отделен от головного. Ни входные, ни выходные нейроны не участвуют в изменении рефлекса и, следовательно, не ответственны за привыкание: решающее значение имеют интернейроны, - связывающие нейроны входа и выхода. Это значит, что привыкание не связано с изменениями медленных потенциалов соединительных контактов. Он обнаружил, что медленные потенциалы мембраны нейрона и генераторные потенциалы, записанные от его аксона, которые дают начало нервным импульсам, могут изменяться независимо друг от друга. Кроме того, полученные им результаты свидетельствуют о том, что механизм генерации нервных импульсов может обнаружить привыкание. [10] НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС - волна возбуждения, края распространяется по нервному волокну и служит для передачи информации отпериферич. рецеп торных (чувствительных) окончаний к нервным центрам, внутри центр. нервной системы иот неё к ис полнительным аппаратам мышцам и железам. Прохождение Н. и. сопровождается переходнымиэлектрич. процессами, крые можно зарегистрировать как внеклеточными, так и внутриклеточнымиэлектродами. Генерацию, передачу и переработку Н. и. осуществляет нервная система. Осн. структурным э лементомнервной системы высших организмов является нервная клетка, или нейрон, состоящий из т ела клетки имногочисл. отростков дендритов (рис. 1). Один из отростков у нериферич. нейронов имеет большую длину это нервное волокно, или аксон, протяжённость крого ~ 1 м, а толщина от 0,5 до 30 мкм. Различают двакласса нервных волокон: мякотные (миелинизированные) и безмякотные. У мякотных волокон имеетсямиелиновая оболочка, образованная с пец. мембраной, края подобно изоляции накручивается на аксон.Протяжённость участков сплошной миелиновой оболо чки составляет от 200 мкм до 1 мм, они прерываются т.н. перехватами Ранвье шириной 1мкм. Миели новая оболочка играет роль изоляции; нервное волокно на этихучастках пассивно, электрически акти вна только мембрана в перехватах Ранвье. Безмякотные волокна неимеют изолир. участков; их струк тура однородна по всей длине, а мембрана обладает электрич. активностьюпо всей поверхности. Нервные волокна заканчиваются на телах или дендритах др. нервных клеток, но отделены от них промежутком шириной ~ 10 нм. Эта область контакта двух клеток наз. синапсом. Входящая в синапс мембранааксона наз. пресинаптической, а соответствующая мембрана дендритов или мышцы пост-синаптической(см. Клеточные структуры). В нормальных условиях по нервному волокну постоянно бегут серии Н. и., возникающих на де ндритах илителе клетки и распространяющихся по аксону в направлении от тела клетки (аксон может проводить Н. и. вобоих направлениях). Частота этих периодич. разрядов несёт информацию о силе вызвавшего ихраздражения; напр., при умеренной активности частота ~ 50100 импульсов/с. Существуют клетки, к-рыеразряжаются с частотой ~ 1500 импульсов/с. Скорость распространения Н. и. u. зависит от типа нервного волокна и его диаметра d,u.~ d1/2. В тонкихволокнах нервной системы человека u.~ 1 м/с, а в толстых волокнах u.~ 100-120 м/с. Каждый Н. и. возникает в результате раздражения тела нервной клетки или нервного волокна. Н. и. всегдаимеет одни и те же характеристики (форму и скорость) независимо от силы раздражения , т. е. приподпороговом раздражении Н. и. не возникает совсем, а при надпороговым имеет полную амплитуду. После возбуждения наступает рефракторный период, в течение крого возбудимость нервного волокнаснижена. Различают абс. рефракторный период, когда волокно н ельзя возбудить никакими раздражителями,и относит. рефракторный период, когда возбуждение воз можно, но его порог оказывается выше нормы. Абс.рефракторный период ограничивает сверху часто ту передачи Н. и. Нервное волокно обладает свойствомаккомодации, т. е. привыкает к постоянно дей ствующему раздражению, что выражается в постепенномповышении порога возбудимости. Это прив одит к снижению частоты Н. и. и даже к их полному исчезновению.Если сила раздражения нарастает медленно, то возбуждения может не произойти даже после достиженияпорога. Рис.1. Схема строения нервной клетки. Вдоль нервного волокна Н. и. распространяется в виде волны электрич. потенциала. В синапс е происходитсмена механизма распространения. Когда Н. и. достигает пресинаптич. окончания, в син аптич. щельвыделяется активное хим. вещество м е д и а т о р. Медиатор диффундирует через синаптич. щель именяет проницаемость постсинапти ч. мембраны, в результате чего на ней возникает потенциал, вновьгенерирующий распространяющий ся импульс. Так действует хим. синапс. Встречается также электрич.синапс, когда след. нейрон возбу ждается электрически. Возбуждение Н. и. Физ. представления о появлении электрич. потенциалов в клетках основа ны на т. н.мембранной теории. Клеточные мембраны разделяют растворы электролита разной конце нтрации иобладают из-бират. проницаемостью для некрых ионов. Так, мембрана аксона представляет собой тонкийслой липидов и белков толщиной ~ 7 нм . Её электрич. сопротивление в состоянии покоя ~ 0,1 Ом . м 2, аёмкость ~ 10 мф/м 2. Внутри аксона в ысока концентрация ионов К + и мала концентрация ионов Na+ и Сl-, а вокружающей среде наоборот. В состоянии покоя мембрана аксона проницаема для ионов К +. Изза разницы концентраций C0K. во внеш. иС во внутр. растворах на мембране устанавливается калиев ый мембранный потенциал где Т - абс. темп-pa, е заряд электрона. На мембране аксона действительно наблюдается потенциал покоя~ 60 мВ, соответствующий указанной ф-ле. Ионы Na+ и Сlпроникают через мембрану. Для поддержания необходимого неравновесного распределенияионов к летка использует систему активного транспорта, на работу крой расходуется клеточная энергия.Поэтому состояние покоя нервного волокна не является термоди намически равновесным. Оно стационарноблагодаря действию ионных насосов, причём мембранный потенциал в условиях разомкнутой цепиопределяется из равенства нулю полного электрич. тока. Процесс нервного возбуждения развивается следующим образом (см. также Биофизика). Есл и пропуститьчерез аксон слабый импульс тока, приводящий к деполяризации мембраны, то после сн ятия внеш.воздействия потенциал монотонно возвращается к исходному уровню. В этих условиях акс он ведёт себя какпассивная электрич. цепь, состоящая из конденсатора и пост. сопротивления. Рис. 2. Развитие потенциала действия в нервном во локне: а подпороговое (1) и надпороговое (2)раздражения; б -мембранный отклик; при надпороговом раздражении проявляется полный потенциал действия; в ионный ток, протекающий через мембрану при возбуждении; г аппроксимацияионного тока в простой аналитической модели. Если импульс тока превышает некрую пороговую величину, потенциал продолжает изменяться и послевыключения возмущения; потен циал становится положительным и только потом возвращается к уровнюпокоя, причём вначале даже несколько проскакивает его (область гиперполяризации, рис. 2). Откликмембраны при этом не зависи т от возмущения; этот импульс наз. потенциалом действия. Одновременночерез мембрану течёт ион ный ток, направленный сначала внутрь, а потом наружу (рис. 2, в). Феноменологич. истолкование механизма возникновения Н. и. было дано А. Л. Ходжкином (A. L. Hodg- kin) иА. Ф. Хаксли (A. F. Huxley) в 1952. Полный ионный ток слагается из трёх составляющих: калиево го,натриевого и тока утечки. Когда потенциал мембраны сдвигается на пороговую величину j* (~ 20мВ),мембрана становится проницаемой для ионов Na+. Ионы Na+ устремляются внутрь волокна, сдвигаямембранный потенциал, пока он не достигнет величины равновесного натриевого потенциал а: составляющего ~ 60 мВ. Поэтому полная амплитуда потенциала действия достигает ~ 120 мВ. К моментудостижения макс. потенциала в мембране начинает развиваться калиевая (и одновременн о уменьшатьсянатриевая) проводимость. В результате натриевый ток сменяется на калиевый, напра вленный наружу. Этотток соответствует уменьшению потенциала действия. Установлены эмпирич. урния для описания натриевого и калиевого токов. Поведение мембранногопотенциала при пространст венно однородном возбуждении волокна определяется ур-нием: где С -ёмкость мембраны, I ионный ток, слагающийся из калиевого, натриевого и тока утечки. Эти токиопределяются пост. эдс jK, jNa и jl и проводимостями gK, gNa и gl: Величину gl считают постоянной, проводимости gNa и gK описывают с помощью параметров m, h и п: gNa, gK - постоянные; параметры т, h и п удовлетворяют линейным ур-ниям Зависимость коэф. a. и b от мембранного потенциала j (рис. 3) выбирают из условия наилучш его совпадения Рис. 3. Зависимость коэффициентов a. и b от мембран ного потенциала. расчётных и измеряемых кривых I(t). Этими же соображениями вызван выбор параметров. За висимостьстационарных значений т, h и п от мембранного потенциала приведена на рис. 4. Существ уют модели сбольшим числом параметров. Т. о., мембрана нервного волокна представляет собой не линейный ионныйпроводник, свойства крого существенно зависят от электрич. поля. Механизм генерации возбуждения изученплохо. Урния Ходжкина -Хаксли дают лишь удачное эмпирич. описание явления, за крым нет конкретнойфиз. модели. Поэтому важной задачей является изучение механизмов протекани я электрич. тока черезмембраны, в частности через управляемые элект- рич. полем ионные каналы. Рис. 4. Зависимость стационарных значений т, h и п от мембранного потенциала. Распространение Н. и. Н. и. может распространяться вдоль волокна без затухания и с пост. с коростью. Этосвязано с тем, что необходимая для передачи сигнала энергия не поступает из единого центра, а черпаетсяна месте, в каждой точке волокна. В соответствии с двумя типами волокон сущес твуют два способа передачиН. и.: непрерывный и сальтаторный (скачкообразный), когда импульс дви жется от одного перехвата Ранвье кдругому, перепрыгивая через области миелиновой изоляции. В случае немиелинизир. волокна распределение мембранного потенциала j(x, t )определяется ур-нием: где С -ёмкость мембраны, приходящаяся на единицу длины волокна, R сумма продольных(внутриклеточного и внеклеточного) сопротивлений на единицу длины волокна, I ионный ток, протекающийчерез мембрану волокна единичной длины. Электрич. ток I является функц ионалом от потенциала j, крыйзависит от времени t и координаты х. Эта зависимость определяется ур-ниями (2) -(4). Вид функционала I специфичен для биологически возбудимой среды. Однако урние (5), если отвлечься отвида I, имеет более общий характер и описывает многие физ. явления, нап р. процесс горения. Поэтомупередачу Н. и. уподобляют горению порохового шнура. Если в бегущем п ламени процесс поджиганияосуществляется за счёт теплопроводности, то в Н. и. возбуждение проис ходит при помощи т. н. локальныхтоков (рис. 5). Рис. 5. Локальные токи, обеспечивающие распростра нение нервного импульса. Ур-ния Ходжкина Хаксли для распространения Н. и. решались численно. Полученные решения вместе снакопленными эксперим. данными показали, что распространение Н. и. не зависит от деталей процессавозбуждени я. Качеств. картину распространения Н. и. можно получить при помощи простых моделей,отражающи х лишь общие свойства возбуждения. Такой подход позволил рассчитывать скорость и форму Н.и. в однородном волокне, их изменение при наличии неоднородностей и даже сложные режимыраспространения возбуждения в активных средах, напр. в сердечной мышце. Существует неск. матем.моделей подобного рода. Простейшая из них такова. Ионный ток, пр отекающий через мембрану припрохождении Н. и., является знакопеременным: вначале он течёт вну трь волокна, а потом наружу. Поэтомуего можно аппроксимировать кусочно-постоянной фцией (рис. 2, г). Возбуждение происходит, когдамембранный потенциал сдвигается на пороговую вел ичину j*. В этот момент возникает ток, направленныйвнутрь волокна и равный по модулю j'. Спустя вр емя t' ток меняется на противоположный, равный j ". Этафаза продолжается в течение времени ~ t ". Автомодельное решение ур-ния (5) можно найти как ф-циюпеременной t = х/u, где u скорость распространения Н. и. (рис. 2, б). В реальных волокнах время t' достаточно велико, поэтому только оно определяет скорость u, для к-ройсправедлива ф-ла: . Учитывая, что j' ~ ~d, R ~ d2 и С~ d, где d диаметр волокна,находим в согласии с экспериментом, что u ~ d1/2. Спомощью кусочнопостоянной аппроксимации находятформу потенциала действия. Урние (5) для распространяющегося Н. и. в действительности допускает два решения. Второе решение оказывается неустойчивым; оно даёт Н. и. со значительно меньшей скоростью и амплитудой потенци ала.Наличие второго, неустойчивого, решения имеет аналогию в теории горения. При распространен ии пламенис боковым теплоотводом также возможно возникновение неустойчивого режима. Простую аналитич. модельН. и. можно усовершенствовать, учитывая дополнит. детали. При изменении сечения и при ветвлении нервных волокон прохождение Н. и. может быть затр уднено илидаже полностью блокировано. В расширяющемся волокне (рис. 6) скорость импульса по м ере приближенияк расширению убывает, а после расширения начинает расти, пока не выйдет на нов ое стационарноезначение. Замедление Н. и. тем сильнее, чем больше разница в сечениях. При дост аточно большомрасширении Н. и. останавливается. Существует критич. расширение волокна, крое задерживает Н. и. При обратном движении Н. и. (из широкого волокна в узкое) блокирования не происходит, но изменениескорости носит противопол ожный характер. При подходе к сужению скорость Н. и. увеличивается, а затемначинает спадать до н ового стационарного значения. На графике скорости (рис., 6 а) получается своего родапетля гистерез иса. Рие. 6. Прохождение нервных импульсов по расширя ющемуся волокну: а изменение скоростиимпульса в зависимости от его направления; б схематическое изображение расширяющегосяволокна. Другой тип неоднородности ветвление волокон. В узле ветвления возможны разл. варианты прохождения иблокирования импул ьсов. При несинхронном подходе Н. и. условие блокирования зависит от временногосдвига. Если вре менной сдвиг между импульсами мал, то они помогают друг другу проникнуть в широкоетретье волок но. Если сдвиг достаточно велик, то Н. и. мешают друг другу. Связано это с тем, что Н. и.,подошедши й первым, но не сумевший возбудить третье волокно, частично переводит узел в рефракторноесосто яние. Кроме того, возникает эффект синхронизации: по мере приближения Н. и. к узлу их запаздыван иедруг относительно друга уменьшается. Взаимодействие Н. и. Нервные волокна в организме объединены в пучки или нервные ствол ы, образующиеподобие многожильного кабеля. Все волокна в пучке представляют собой самостоят. линии связи, но имеютодин общий "провод" межклеточную жидкость. Когда по любому из волокон бежит Н. и., он создаёт вмежклеточной жидкос ти электрич. поле, крое влияет на мембранный потенциал соседних волокон. Обычнотакое влияние пренебрежимо мало и линии связи работают без взаимных помех, но оно проявляется в патологич. и искусств. условиях. Обрабатывая нервные стволы спец. хим. веществами, удаётся наблюдат ь нетолько взаимные помехи, но и передачу возбуждения в соседние волокна. Известны эксперименты по взаимодействию двух нервных волокон, помещённых в ограничен ный объёмвнеш. раствора. Если по одному из волокон бежит Н. и., то одновременно изменяется возб удимость второговолокна. Изменение проходит три стадии. Вначале возбудимость второго волокна п адает (повышается порогвозбуждения). Это уменьшение возбудимости опережает потенциал действ ия, бегущий по первому волокну,и длится примерно до тех пор, пока потенциал в первом волокне не достигнет максимума. Затемвозбудимость растёт, эта стадия совпадает по времени с процессом уме ньшения потенциала в первомволокне. Возбудимость ещё раз уменьшается, когда в первом волокне происходит небольшаягиперполяризация мембраны. При одноврем. прохождении Н. и. по двум волокнам иногда удавалось достигнуть их синхрони зации.Несмотря на то что собств. скорости Н. и. в разных волокнах различны, при их одноврем. возбу ждении могвозникнуть коллективный Н. и. Если собств. скорости были одинаковы, то коллективный и мпульс имелменьшую скорость. При заметном отличии собств. скоростей коллективная скорость име ла промежуточноезначение. Синхронизоваться могли лишь Н. и., скорости крых отличались не слишком сильно. Матeм. описание этого явления даётся системой урний для мембранных потенциалов двух параллельныхволокон j1 и j2: где R1 и R2 - продольные сопротивления первого и второго волокон, R3 продольное сопротивлениевнешней среды, g = R1R2+ R1R3.+ R2R3. Ионные токи I1 и I2 можно описать той или иной моделью нервноговозбуждения. При использовании простой аналитич. модели решение приводит к след. картине. Когда возбу ждается одноволокно, в соседнем наводится знакопеременный мембранный потенциал: вначале вол окно гиперполяри-зуется, затем деполяризуется и, наконец, ещё раз гиперполяризуется. Эти три фазы соответствуютпонижению, повышению и новому понижению возбуди мости волокна. При нормальных значенияхпараметров сдвиг мембранного потенциала во второй фазе в стор ону деполяризации не достигает порога,поэтому передачи возбуждения в соседнее волокно не проис ходит. При одноврем. возбуждении двух волоконсистема (6) допускает совместное автомодельное р ешение, крое соответствует двум Н. и., движущимся содинаковой скоростью на пост. расстоянии друг от друга. Если впереди находится медленный Н. и., то онпритормаживает быстрый импульс, не выпуская его вперёд; оба движутся с относительно малой скоростью.Если же впереди находится быстрый II. и., то он подтягивает за собой медленный импульс. Коллективнаяскорость оказывается близкой к собств. с корости быстрого импульса. В сложных нейронных структурахвозможно появление автоволи. Возбудимые среды. Нервные клетки в организме объединены в нейронные сети, крые в зависимости отчастоты ветвления волокон разделяют на редкие и густые. В редкой сети отд. э лементы возбуждаютсянезависимо друг от друга и взаимодействуют только в узлах ветвления, как о писано выше. В густой сети возбуждение охватывает сразу много элементов, так что их детальная структур а и способсоединения между собой оказываются несущественными. Сеть ведёт себя как непрерывна я возбудимаясреда, параметры к-рой определяют возникновение и распространение возбуждения. Возбудимая среда может быть трёхмерной, хотя чаще её рассматривают как двумерную пове рхность.Возбуждение, возникшее в к.л. точке поверхности, распространяется во все стороны в виде кольцевойволны. Волна возбуждения может огибать препятствия, но не может от них отражаться, не отражается она иот границы среды. П ри столкновении волн между собой происходит их взаимное уничтожение; пройти другсквозь друга эт и волны не могут из-за наличия позади фронта возбуждения рефракторной области. Примером возбудимой среды является сердечный нервно-мышечный синцитий объединение нервных имышечных волокон в единую проводящую систему, способную передавать в озбуждение в любомнаправлении. Нервномышечные синцитии сокращаются синхронно, подчиняясь волне возбуждения, круюпосылает единый управляющий центр водитель ритма. Единый ритм иногда нарушается, возникаютаритмии. Один из таких режимов наз. т репетанием предсердий: это автономные сокращения, вызванныециркуляцией возбуждения вокруг п репятствия, напр. верхней или нижней вены. Для возникновенияподобного режима периметр препятс твия должен превышать длину волны возбуждения, равную впредсердии человека ~ 5 см. При трепет ании происходит пе-риодич. сокращение предсердий с частотой 35Гц. Более сложный режим возбуждения представляет собой фибрилляция желудочков сердца, когд а отд.элементы сердечной мышцы начинают сокращаться без внеш. команды и без связи с соседним и элементамис частотой ~ 10 Гц. Фибрилляция приводит к прекращению циркуляции крови. Возникновение и поддержание спонтанной активности возбудимой среды неразрывно связан ы свозникновением источников волн. Простейший источник волн (группа спонтанно возбуждающихся клеток)может обеспечить периодич. пульсацию активности, так устроен водитель ритма сердца. Источники возбуждения могут возникать и за счёт сложной пространств. организации режима возбуждения,напр. ревербератор типа вращающейся спиральной волны, появляющийся в простейше й возбудимой среде.Другой вид ревербератора возникает в среде, состоящей из элементов двух тип ов с разными порогамивозбуждения; ревербератор периодически возбуждает то одни, то другие эле менты, меняя при этомнаправление своего движения и порождая плоские волны. Третий вид источника - ведущий центр (источник эха), крый появляется в среде, неоднородной по рефракторности или порогу возбуждения. В этом случае на неоднородности возникает отражённая волна (эхо).Наличие подобных источников волн приводит к появлению сложных режимов возбуждения, исс ледуемых втеории автоволн. Лит.: Ходжкин А., Нервный импульс, пер. с англ., М., 1965; Катц Б., Нерв, мышца и синапс, пе р. с англ., М.,1968; Ходоров Б. И., Проблема возбудимости, Л., 1969; Тасаки И., Нервное возбуждение , пер. с англ., М.,1971; Маркин В. С., Пастушенко В. Ф., Чизмаджев Ю. А., Теория возбудимых сред, М., 1981. В. С. Маркин. МЕМБРАННАЯ ТЕОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ Современными методами исследования (электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, атомно-абсорбционная микроскопия и т.п.) установлено, что все процессы, связанные с электрическими явлениями в живых клетках происходят на поверхности мембраны клетки. Мембрана — сложное структурное образование толщиной 6–10 нм, состоящее в основном из белков и липидов. Мембрана образована двумя слоями фосфолипидных молекул, в которые погружены молекулы белков. Часть белков глубоко входит в фосфолипидный бислой или дальше проникает насквозь, а часть белков лишь частично соприкасается с фосфолипидами. В трехмерном изображении белки выглядят как крупные, беспорядочно расположенные глобулины. Имеются особые белки, которые пронизывают мембрану и образуют каналы. Каналы состоят из собственно транспортной системы и так называемого воротного механизма — «ворот», управляемых электрическим полем мембраны. «Ворота» могут быть или открыты или закрыты специальными молекулами белка. Через эти «ворота» могут проходить те или иные ионы. Для каждого вида ионов существуют свои ионные каналы в мембране. Ионные каналы нервных и мышечных клеток подразделяются на натриевые, калиевые, кальцевые и хлорные. Суммарная проводимость мембраны для того или иного иона определяется числом одновременно открытых каналов, проницаемых для данного иона каждый вид ионного канала блокируется определенными химическими веществами (тетродотоксин, нифедипин). Диаметры калиевых каналов — 0,3 нм, натриевых — 0,5 нм. Проницаемость через мембрану клетки в состоянии покоя для разных ионов различна. Ионы калия проникают в 25 раз быстрее, чем ионы натрия и в 2 раза быстрее ионов хлора. Установлено, что движение ионов через клеточную мембрану происходит в обе стороны. Одной из первых теорий происхождения биоэлектрических потенциалов была диффузионная теория русского физиолога В.Ю.Чаговца (1896 г), основанная на теории электролитической диссоциации Аррениуса. В.Ю. Чаговец установил, что в раздражаемом участке возбудимой ткани (мышца, нерв) повышается обмен веществ и усиленно образуется Н2СО3, которая быстро диссоциирует на положительно заряженные ионы Н+ и отрицательно заряженные анионы НСО-3. Из этого участка ионы Н+ быстро диффундируют по всей ткани, а НСО-3 — медленно, в результате чего возникает разность потенциалов между нормальными участками ткани и раздражаемыми. В 1902 г Ю. Бернштейн предложил мембранную теорию, которая была основана на разнице зарядов внутри и снаружи клетки. Но эта теория не полностью отражала происхождение электрических потенциалов в мембране клетки. В 1948 г А. Ходжкин, А. Хаксли и Б. Катц (английские электрофизиологи) получили Нобелевскую премию за «оперирование на аксонах нейронов». Именно эти ученые разработали современную мембранную теорию возникновения биоэлектрических потенциалов, или теорию калий-натриевого насоса. Потенциал покоя. Мембранный потенциал покоя — электрический потенциал между внутренней стороной плазматической мембраны и наружной поверхностью клеточной мембраны. По отношению к наружной поверхности в покое внутренняя сторона мембраны заряжена всегда отрицательно. Для каждого вида клеток потенциал покоя величина практически постоянная. У теплокровных она составляет: в волокнах скелетных мышц — 90 мВ, в клетках миокарда — 80, в нервных клетках и волокнах — 60–70, в секреторных железистых клетках — 30–40, в клетках гладких мышц — 30–70 мВ. Потенциалом покоя обладают все живые клетки, но его величине значительно меньше (например, в эритроцитах — 7–10 мВ). Согласно современной мембранной теории потенциал покоя возникает за счет пассивного и активного движения ионов через мембрану. Пассивное движение ионов осуществляется по градиенту концентрации и не требует затрат энергии. В состоянии покоя клеточная мембрана более проницаема для ионов калия. Цитоплазма мышечных и нервных клеток содержит в 30–50 раз больше ионов калия, чем в межклеточной жидкости. Ионы калия в цитоплазме находятся в свободном состоянии и согласно градиенту концентрации диффундируют через клеточную мембрану во внеклеточную жидкость, в ней они не рассеиваются, а удерживаются на внешней поверхности мембраны внутриклеточными анионами. Внутри клетки содержатся в основном анионы органических кислот: аспарагиновой, уксусной, пировиноградной и др. Содержание неорганических анионов в клетке сравнительно небольшое. Анионы не могут проникать через мембрану и остаются в клетке, располагаясь на внутренней поверхности мембраны. Так как ионы калия имеют положительный заряд, а анионы — отрицательный, то внешняя поверхность мембраны заряжена положительно, а внутренняя — отрицательно. Ионов натрия в 8– 10 раз больше во внеклеточной жидкости, чем в клетке, проницаемость их через мембрану незначительно. Проникновение ионов натрия из внеклеточной жидкости внутрь клетки приводит к некоторому уменьшению потенциала покоя. Диффузия внутрь клетки ионов хлора, содержание которых во внеклеточной жидкости в 15–30 раз выше, вызывает некоторое увеличение потенциала покоя. В мембране также существует специальный молекулярный механизм, который обеспечивает активный перенос ионов натрия и калия в сторону их повышенной концентрации и поддерживает ионную ассимметрию. Активный перенос ионов осуществляется в результате деятельности ионного калийнатриевого насоса («помпы»). Активный транспорт ионов натрия из клетки связаны со входом ионов калия в клетку. В сопряженном калий-натриевом насосе движение ионов осуществляется переносчиками, а последние транспортируются с участием метаболитической энергии распада АТФ. За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона натрия выводятся наружу, а два иона калия поступают внутрь клетки. В мышечных волокнах в состоянии покоя на обеспечение работы ионных насосов тратится до 20% энергетических ресурсов клетки. Расщепление АТФ происходит под влиянием фермента аденозинтрифосфатазы. Отравление нервных волокон монойодацетатом, цианидами, динитрофенолом и другими веществами, выключающими процессы гликолиза и синтеза АТФ, приводит к снижению содержания АТФ в цитоплазме и прекращению работы натрий-калиевого насоса. Мембрана также проницаема и для ионов CI- (особенно в мышечных волокнах). Распределение ионов хлора по обе стороны мембраны клетки противоположно распределению ионов калия. В клетках с высокой проницаемостью для ионов хлора ионы К+ и CI- в равной степени участвуют в создании потенциала покоя, в других клетках вклад в этот потенциал ионов CI- невелик. Таким образом, свойственный клетке потенциал покоя обусловлен главным образом движением ионов К+ по градиенту концентрации. Потенциал покоя является основой возникновения распространяющегося возбуждения (импульса) в возбудимых тканях. Снижение величины мембранного потенциала (покоя) называется деполяризацией мембраны, а увеличение —гиперполяризацией. Потенциал действия. Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникшее при возбуждении нервных и мышечных клеток. Обязательный признак возбуждения — изменение электрического состояния клеточной мембраны. Под влиянием раздражителя заряд мембраны начинает быстро уменьшаться до нуля и затем вновь появляться, но только с обратным знаком. Происходитреверсия заряда мембраны: внутренняя ее сторона заряжается положительно, а наружная — отрицательно. Затем вновь восстанавливаются первоначальные заряды мембраны. Вот это пикообразное колебание потенциала, возникающее при перезарядке мембраны, с последующим восстановлением ее исходного заряда и есть потенциал действия. Пик потенциала действия связан с процессом возбуждения, он имеет восходящую и нисходящую фазы. Во время восходящей фазы вначале исчезает исходная поляризация мембраны, поэтому ее называют фазойдеполяризации, затем изменяется знак потенциала — реверсия. Во время нисходящей фазы заряд мембраны возвращается к уровню покоя, и ее называют реполяризацией. Фаза реполяризации длится 1–2 миллисекунды. Последний участок фазы реполяризации часто бывает замедлен, здесь проявляются так называемые следовые потенциалы — деполяризационный, отрицательный или гиперполяризационный, положительный. Первый механизм наблюдается при обычной силе раздражителя, второй — при большой силе или частоте раздражений. Общая длительность потенциала действия в разных нервных и скелетных мышечных волокнах составляет 0,5–5 мс, в клетках сердечной мышцы – десятки и сотни миллисекунд. Во время деполяризации, смены полярности и в начале фазы реполяризации соответствующий участок мембраны временно становится полностью невозбудимым (рефрактерным). Это — период абсолютной рефрактерности. Например, если раздражать нерв парными электрическими импульсами с интервалом менее 2 мс, то второе раздражение не дает эффекта, так как попадает во времени на фазу абсолютной рефрактерности. Период постепенного восстановления возбудимости, когда она еще не достигла обычного уровня, называется периодом относительной рефрактерности. Для возникновения потенциала действия в этот период необходимо приложить большую силу раздражителя. Свойство рефрактерности обусловлено степенью инактивация тем полнее рефрактерность. инактивации натриевых каналов: чем выше Рефрактерность играет важную роль в возбудительном процессе, ограничивая максимальную частоту генерации потенциалов действия и устанавливая предельный ритм импульсации (меру «лабильности» ткани по Н.Е. Введенскому). Большинство нервных и мышечных клеток способно при раздражении генерировать импульсы с максимальной частотой 200–300 в/секунду, некоторые — до 1000. Современная мембранная теория объясняет довольно сложный механизм возникновения потенциала действия. Основные положения этой теории сводятся к работе натриевых и калиевых каналов. Предполагается, что в результате деполяризации потенциал мембраны достигает порогового значения (примерно — 50 мВ у нервной клетки), изменяется конформация потенциалзависимых белковых молекул, открывающих и закрывающих «ворота» ионных калий, натриевых каналов. Потенциал действия возникает в результате прохождения ионных потоков через мембрану: движение ионов натрия внутрь клетки приводит к перезарядке мембраны, а выход из клетки ионов калия восстанавливает исходный потенциал покоя. Потоки приблизительно равны по величине, но сдвинуты во времени. При действии слабых (допороговых) раздражителей проницаемость мембраны для ионов натрия увеличивается незначительно и деполяризация не достигает критического уровня. Такая деполяризация получила названиеместного потенциала, который не распространяется, а затухает вблизи места своего возникновения. При повторных допороговых раздражениях они могут суммироваться, достигать критического уровня деполяризации и вызывать появление потенциала действия (явление суммации).
