Наружная сторона Потенциал

Рис. 13. Простейшая электрическая схема, воспроизводящая электрические свойства мембраны (а) и изменения мембранного потенциала под катодом и анодом постоянного тока подпороговой си­лы (б).

а: С — емкость мембраны, R — сопротивление, Е — электродвижущая сила мембраны в покое (потенциал покоя). Приведены средние значенияR, С и Е для мотонейрона, б — деполяризация мембраны (1) под като­дом и гиперполяризация (2) под анодом при прохождении через нервное волокно слабого подпорогового тока.

или «электротоническими»,изменениями мембранного потенциала. В чистом виде последние могут быть зарегистрированы в условиях полной блокады ионных каналов химическими агентами. Разли­чают кат-и анэлектротоническиеизменения потенциала, развивающиеся в области приложения соответственно катода и анода постоянного тока.

Критический уровень деполяризации

Регистрация изменений мембранного потенциала при внутриклеточном раздраже­нии нервного или мышечного волокна показала, что потенциал действия возникает в тот момент, когда деполяризация мембраны достигает критического уровня. Этот критиче­ский уровень деполяризациине зависит от характера примененного стимула, расстояния между электродами и т. п., а определяется исключительно свойствами самой мембраны.

Рис. 14. Изменение мембранного потенциа­ла до критического уровня деполяризации мембраны при действии раздражающего тока разной силы и длительности.

Критический уровень показан пунктиром. Вни­зу — раздражающие стимулы, при воздействии которых получены ответы А, Б н В.

На рис. 14 схематически показаны изменения мембранного потенциала нервного во­локна под влиянием длительного икоротких стимулов различной силы. Во всех случаях потенциал действия возникает тогда, когда мембранный потенциал достигает критиче­ской величины. Скорость, с которой происходит деполяризация мембраны, при прочих равных условиях зависит от силы раздражающего тока. При токе слабой силы деполяризация развивается медленно, поэтому для возникновения потенциала действия стимул должен быть большей длительности. В случае усиления раздражающего тока скорость развития деполяризации возрастает и соответственно уменьшается минимальное время, необходимое для возникновения возбуждения. Чем быстрее развивается деполяризация мембраны, тем меньше минимальное время, необходимое для генерации потенциала действия, и наоборот.

Локальный ответ

В механизме критической деполяризации мембраны наряду с пассивными существенную роль играют активные подпороговые изменения мембранного потенциала, проявляющиеся в форме так называемого локального ответа.

В

Рис. 15. Локальный ответ нервного волокна. А, Б, В - изменения мембранного потенциала нервного волокна, вызываемые действием подпоро- гиноги гока короткой длительности. На кривых Б и В к пассивной деполяризации мембраны присоеди­няется и активная подпороговая деполяризация в форме локальнога ответа. Локальный ответ отде­лен от пассивных изменений потенциала пунктир­ной линией. При пороговой силе гока (Г) локаль­ный ответ перерастает в потенциал действия (его вершина на рисунке не показана).

X

С

F

О

D

Реобаза А

О

Время

Рис. 16. Кривая силы — длительности. Объяс­нение в тексте.

Первые признаки локального ответа появляются при действии стимулов, составляю­щих 50—75 % от пороговой величины. По мере дальнейшего усиления раздражающего тока локальный ответ увеличивается, и в момент, когда деполяризация мембраны, обу­словленная суммой катэлектротонического потенциала и локального ответа, достигает критического уровня, возникает потенциал действия (рис. 15).

Локальный ответ, так же как и потенциал действия, обусловлен повышением натрие­вой проницаемости мембраны. Однако при подпороговом стимуле это начальное повы­шение натриевой проницаемости недостаточно велико, чтобы вызвать быструю регенера­тивную деполяризацию мембраны. Развитие деполяризации тормозится процессами инактивации натриевых и активации калиевых каналов. Поэтому рост локального ответа приостанавливается, а затем происходит реполяризация мембраны. Амплитуда локаль­ного ответа увеличивается по мере приближения силы стимула к порогу, и при достиже­нии последнего локальный ответ перерастает в потенциал действия, поскольку скорость увеличения натриевой проницаемости мембраны начинает превышать скорость роста калиевой проницаемости.

Зависимость пороговой силы раздражителя от его длительности

Пороговая сила любого стимула в определенных пределах находится в обратной зависимости от его длительности. Особенно четко эта зависимость проявляется при ис­пользовании в качестве раздражителя прямоугольных импульсов постоянного тока.

Представленная на рис. 16 кривая называется кривой силы — длительности, или силы — времени. Она была изучена при исследовании различных нервов и мышц Гоорве- гом (1892), Вейсом (1901) и Лапиком (1909).

По этой кривой прежде всего можно судить о том, что ток ниже некоторой минималь­ной силы или напряжения не вызывает возбуждения, как бы длительно он ни действовал. Минимальная сила постоянного тока, способная вызвать возбуждение (порог раздра­жения), названа Лапиком реобазой(ординатаOA). Наименьшее время (отрезок ОС), в течение которого должен действовать раздражающий стимул, величиной в одну реобазу называют полезным временем.Слово «полезное» здесь применено с целью подчеркнуть, что дальнейшее увеличение длительности действия тока не имеет значения (бесполезно) для возникновения потенциала действия.

Усиление тока приводит к укорочению минимального времени раздражения, но не беспредельно. Как видно на рис. 16, при очень коротких стимулах кривая силы — вре­мени становится параллельной оси ординат. Это означает, что при таких кратковре­менных раздражениях возбуждения не возникает, как бы ни была велика сила раздра­жителя. Поэтому, кроме полезного времени, в качестве времени константы раздраже­

ния Лапик ввел понятие «хронаксия». Хронаксия - это время, в течение которого дол­жен действовать ток удвоенной реобазы, чтобы вызвать возбуждение.

мВ

•00

20

30 мс

В настоящее время показано, что величина хронаксии зависит от RC мембраны и временной константы процесса активации натриевых (или кальциевых) каналов. Точ­ное измерение величин реобазы или хронаксии возможно только в опытах на одиноч­ных возбудимых клетках. При раздражении целой мышцы или нерва (особенно через кожу, как это делается при исследованиях возбудимости, проводимых на чело­веке) ветвление тока и поляризация окружающих тканей вносят очень большие ис­кажения в измеряемые величины. Все же в некоторых случаях использование хро- наксиметрии оказалось полезным в неврологической практике: с ее помощью удается установить наличие органического поражения (перерождения) двигательного нерва. Дело в том, что электрический ток, приложенный к мышце, проходит и через находя­щиеся в ней нервные волокна и их окончания. Величины реобазы и хронаксии нервных волокон значительно меньше соответствующих величин мышечных волокон, поэтому при пороговых силах тока возбуждение прежде всего возникает в нервных волокнах и от них передается на мышцу. Из этого следует, что при измерении хронаксии мыш­цы фактически получают значение хронаксии иннервирующих ее нервных волокон. Если нерв поврежден или произошла гибель соответствующих мотонейронов в спинном мозге (как это, например, имеет место при полиомиелите), то нервные волокна пере­рождаются, тогда раздражающий стимул выявляет хронаксию собственно мышечных волокон, которая имеет большую продолжительность.

Явление аккомодации

Пороговая сила тока увеличивается при уменьшении крутизны его нарастания, а при некоторой минимальной крутизне ответы на раздражение исчезают. Это явление при­нято обозначать термином «аккомодация». На рис. 17, а показаны изменения крити­ческого уровня деполяризации и амплитуды потенциала действия при раздражении одиночного нервного волокна лягушки ли­нейно нарастающими токами различной кру­тизны. Уменьшение последней приводит к повышению критического уровня деполяри­зации (примерно на 20 % от исходной вели­чины) и снижению амплитуды потенциалов

—-

XIU

Рис. 17. Изменения амплитуды потенциалов действия, крити­ческого уровня деполяризации (показано стрелками) (а) и ха­рактера повторных ответов (б) изолированного нервного волок­на лягушки при нарастании раз­дражающего тока, а: 1 - раздражение прямоугольным импульсом тока; 2—5 — линейно на­растающие стимулы. При снижении крутизны нарастания тока ниже ми­нимального градиента (кривая 5) возник только локальный ответ, б объяснение в тексте.

J

J!r—

а з

jy! ju_ JUJUL Jfc

J/y/U

JU U-

действия. При снижении крутизны до некоторого минимального уровня («минимальный градиент», или «критический наклон») потенциал действия не возникает. Величина этого «минимального градиента», выраженного в единицах реобаза в секунду, принята в качестве меры скорости аккомодации.

В основе аккомодации лежат инактивация натриевой и повышение калиевой про­водимостей, развивающиеся во время медленно нарастающей деполяризации мем­браны. Аккомодация различных нервных волокон варьирует в широких пределах, но у двигательных нервных волокон скорость аккомодации, как правило, значительно вы­ше, чем у чувствительных волокон.

Повторные ответы

Многие нервные волокна обладают способностью отвечать несколькими потен­циалами действия на включение постоянного деполяризующего тока. Эта способность к повторным ответам особенно хорошо выражена у сенсорных волокон, для которых длительная деполяризация мембраны рецептора является естественным раздражите­лем. Примеры повторных ответов на постоянный ток представлены на рис. 17, б. Как правило, пороговая сила тока, необходимая для возникновения повторных ответов, выше, чем для инициации одиночного потенциала действия. На рисунке видно, что уве­личение силы деполяризующего тока до определенной величины обусловливает возра­стание частоты импульсов и увеличение их числа (1—4). Однако при дальнейшем по­вышении силы тока частота импульсов уменьшается и в конечном итоге возникает толь­ко одиночный потенциал действия (5—8).

При постоянной силе тока длина межимпульсных интервалов в повторном ответе постепенно увеличивается. Это явление получило название адаптации.В его основе ле­жит медленное повышение калиевой проводимости мембраны, связанное с активацией особых медленных калиевых каналов. Эти каналы найдены как в нервных волокнах, так и в нервных клетках, у которых способность к повторным ответам и явление адап­тации, как правило, хорошо выражены.

Изменение критического уровня деполяризации

Было показано, что условием возникновения потенциала действия является кри­тическая деполяризация мембраны. Если исходный потенциал мембраны перед нане­сением раздражающего стимула обозначить £о, а критическую величину мембранного потенпиала Е^. то указанное условие порогового раздражения можно записать так: £о+Д1/= £,,, где ДК — пороговый потенциал, т. е. величина, на которую необходимо повысить внутренний потенциал мембраны для возникновения импульса.

Эта простая зависимость помогла понять причину известных со времени класси­ческих исследований Пфлюгера (1859) изменений возбудимости нервного волокна в области катода и анода постоянного тока. В области катода мембрана деполяризуется, т. е. значение Е₀приближается к величине Е_к, соответственно Д 1/уменыпается и, сле­довательно, возбудимость возрастает. В области анода, напротив, Ъо уменьшается (внутренний потенциал мембраны становится более отрицательным); теперь для кри­тической деполяризации мембраны необходимо ее потенциал сместить на большую величинуW—возбудимость снижается (рис. 18).

При длительной деполяризации мембраны развиваются процессы, повышающие кри­тический уровень деполяризации. Такими процессами являются инактивация натри­евых каналов и активация калиевых. Рост Е_кпри данном значении Е₀ведет к увеличе­нию порогового потенциала, т.е. снижению возбудимости (рис. 19). Одновременно с увеличением порога происходит снижение потенциала действия — крутизна его на­растания и амплитуда падают. Такое снижение возбудимости нервного волокна при длительной и сильной деполяризации мембраны было впервые описано Вериго (1889) и получило название катодической депрессии.

100 MB

1_

Рис. 18. Соотношения между исходным уровнем потенциала покоя (Ео), критическим уровнем депо­ляризации (Е_к) и пороговым потенциалом(AV), в норме (А) и при электротоне (Б,В).

Б — катэлсктротоническое снижение порога AVi наступает в результате приближения потенциала покоя Ео к критическому уровню деполяризации Е_к; В — анэлектротоническое повышение порога AV₂ является след­ствием удаления исходного уровня потенциала покоя Е₀от Е_к. Нижняя линия — раздражающий и поляризу­ющий токи: катодный ток — вверх, анодный ток — вниз.

Описанные явления демонстрируют наблюдающиеся в естественных условиях изменения возбудимости нервных клеток и пресинаптическйх нервных терминалей при действии на них медиаторов, вызывающих кратковременную или длительную деполя­ризацию мембраны. В частности, предполагают, что явление католической депрессии лежит в основе так называемого пресинаптического торможения, наблюдающегося в ЦНС.

ив

100

50

Ен

[2

1 ис

Рис. 19. Католическая депрессия Вериго.

I— ответ нормального нервноговолокна на по­роговый раздражающий ток: 2 — ответ того же волокна через 10 смосле начала действиякато­да по дно ро го но го постоянного гока, Е,:, Ек нAV — исходные величины потенциала покоя, критического уровня деполяризации и порого­вого потенциала. F.'h. F.\ и AVi - величины тех же параметров новремя католической депрес­сии.

Рис. 20. Возникновение а иод но- размыка тель­ного возбуждения.

а — потенциал действия, возникающий под като­дов при замыкании тока; б — потенциал действия, возникший иод анодом при размыкании сильного тока. Стрелкой вниз показано нключенне анодного тока, стрелкой вверх его выключение.

В заключение необходимо рассмотреть изменения возбудимости, наблюдающиеся при длительной гиперполяризации мембраны. Такая гиперполяризация (в нервном во­локне она появляется в области приложения анода) приводит к снижению калиевой проницаемости и ослаблению исходной натриевой инактивации. Эти изменения ведут к снижению AV возросшего в начальный момент гиперполяризации мембраны, и увели­чению амплитуды и крутизны нарастания потенциала действия. Если гиперполяризу- ющий ток прикладывается к мембране, которая предварительно была подвергнута воз­действию избытка ионов или действию анестетиков, усиливающих исходную нат­риевую инактивацию (т. е. увеличивающих долю каналов, у которых инактивацион­ные «ворота» закрыты), то во время длительной гиперполяризации АV может снизить­ся настолько, что при выключении тока, т. е. при возвращении мембранного потен­циала к его исходной величине, возникает потенциал действия (рис. 20). Такое явле­ние получило название анодно-размыкательного возбуждения. Предполагают, что в некоторых нервных клетках на подобном механизме основано возникновение потен­циала действия после окончания тормозного гиперполяризационного потенциала в ес­тественных условиях. По-видимому, у таких клеток инактивация натриевых каналов и активация калиевых сильно выражены при потенциале покоя в нормальной солевой среде.

Изложенные данные о влиянии деполяризации и гиперполяризации мембраны на ее возбудимость представлены в табл. 2.

Физиологические	Деполяризация мембраны	Гиперполяризация мембраны
параметры	(катэлектротон)	(анэлектротон)
Возбудимость	Вначале повышение, затем пони­	Сначала понижение, затем относи­
	жение	те ттт,нпе ппитаптение
Потенциал действия	Понижение, прогрессирующее во	Повышение, прогрессирующее во
	времени вплоть до полного	времени
	vrnetennff
Скоростьпроведения	Вначале повышение, затем пони­	Вначале понижение вплоть до бло-
	жение rttttott, тто полного бттокя	кя Сппи питтт,ном токе"* чятем
		постепенное рюеетянортение
Натриевая	Вначале повышение, приводящее	Постепенное ослабление инактива­
мость	к возникновениюпри пояпорого-	ции. если оня имела место
	rom токе ттокя ттт,ного отиетя
	а при пороговом — потенциала
	лейглтшя -чятем ппетепенняя
	иняктивяттия
Калиевая проницаемость	Постепенное повышение	Понижение, если она была по­
		вышена

ИЗМЕНЕНИЯ ВОЗБУДИМОСТИ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ

Используя тестирующие стимулы в различные фазы развития потенциала дей­ствия, можно проследить временной ход изменений возбудимости, сопровождающих возбуждение. На рис. 21 видно, что во время развития локального ответа возбуди­мость повышается (мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации); во время пика потенциала действия мембрана утрачивает возбуди­мость, которая постепенно восстанавливается после окончания пика. Период полной невозбудимости получил название «фаза абсолютной рефрактерности». Она обуслов­лена практически полной инактивацией натриевых каналов и повышением калиевой проводимости. Реполяризация мембраны ведет к реактивации натриевых каналов и

Высоковольтный потенциал

Положи те,-ьныи следонои потенцийп