Рефрактерный период

Воемя. мс 5

Рис.21. Изменения возбудимости нервного во­локна в различные фазы развития потенциала действия и следовых изменений мембранного потенциала.

Рис. 22. Изменения потенциалов действия нервного волокна в фазу относительной рефрактерности.

На нервное волокно многократно наносятся два сильных стимула, разделенных различными ин­тервалами.

Супернормальный период

_ Субнормальный^ период

Для наглядности длительность первых двух фаз на каждой кривой несколько увеличена. Пунктирной линией на рисунке а обозначен потенциал покоя, а на рисунке б — исходный уровень возбудимости.

снижению калиевой проводимости. Это период так называемой относительной реф­рактерности. В данную фазу возбудимость постепенно возрастает.

В нервных волокнах длительность фазы относительной рефрактерности состав­ляет 5—10 мс. При наличии следовой деполяризации фаза относительной рефрактер­ности сменяется фазой повышенной возбудимости («су пер нормальности»). В этот пе­риод пороговый потенциал AV и соответственно порог раздражения снижены по срав­нению с исходными значениями, поскольку мембранный потенциал ближе к критиче­ской величине, чем в состоянии покоя. В быстрых двигательных волокнах теплокров­ных животных фаза следового повышения возбудимости продолжается до 30 мс (рис. 22).

Следовая гиперполяризация, напротив, сопровождается снижением возбудимо­сти. По своему механизму это снижение возбудимости сходно с тем, которое имеет место при анэлектротоне: AV увеличен за счет удаления мембранного потенциала Еот критической величины Е_к.Сходство это, однако, неполное: при анэлектротоне g_K низко, а во время следовой гиперполяризацип g_K увеличено, что также повышает порог раздражения.

МЕХАНИЗМЫ ПРОВЕДЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Проведение возбуждения вдоль нервных и мышечных волокон осуществляется при помощи так называемых местных токов, возникающих между возбужденным (де­поляризованным) и покоящимися (нормально поляризованными) участками волокна. Распространение местных токов по длине волокна определяется его кабельными свой­ствами. Направление местного тока, показанного на рис. 23 таково, что он деполяри­зует соседний с активным (А) покоящийся (В) участок мембраны. Деполяризация эта быстро достигает критического уровня и порождает потенциал действия, который в свою очередь активирует соседний покоящийся участок. Благодаря такому эстафетно­му механизму возбуждение распространяется вдоль всего волокна. В мышечных и без-

А — ^Б

♦ + + ± ^^t j^t+ttt+i

+ 4 + -i- +

Рис. 23. Принципиальный механизм распрост­ранения возбуждения с помощью местных токов (схема

-Jr

. А

"I М-J

^АГ ^^|Б + + + + +

+ ++ ++++ +

■в

НЦ1 —

J

шт\\-

+ + + + + + ~ ~

-+ + + + + + - - + + + + + + + + +

I ' РПоврежденный участон

Рис. 24. а расположение раздражающих (Р) и отводящих (А, Б) электродов для от­ведения двухфазного (I) и монофазного (II) потенциалов действия (схема); б — механизм возникновения двухфазного по­тенциала действия (схема).

мякотных нервных волокнах возбуждение осуществляется непрерывно «от точки к точке». Особенности проведения возбуждения по миелинизированным волокнам рас­смотрены далее.

Распространение возбуждения в нерве или мышце можно зарегистрировать в эк­сперименте, если к двум точкам — А и Б (рис. 24, а) приложить отводящие электроды, связанные с регистрирующей аппаратурой, а к другой точке (Р) — раздражающие электроды. При нанесении электрического стимула на экране осциллографа регистри­руется двухфазное колебание потенциала.

Схема на рис. 24, б разъясняет механизм возникновения этих двух противоположно направленных отклонений потенциала. В состоянии покоя все участки наружной по­верхности возбудимой мембраны заряжены электроположительно по отношению к ее внутренней поверхности. Когда волна возбуждения проходит через участок под эле­ктродом, ближайшим к месту раздражения, наружная поверхность мембраны в этом участке становится электроотрицательной по отношению к точке Б. Это вызывает от­клонение луча осциллографа вверх. Когда волна возбуждения покидает этот участок, луч возвращается в исходное положение. Затем возбуждение достигает участка под вторым электродом Б; этот участок в свою очередь становится электроотрицательным по отношению к точке А, а луч осциллографа отклоняется вниз. Если участок нерва под дальним электродом Б сделать невозбудимым при воздействии какого-либо аген­та, например новокаина, либо нарушить проведение возбуждения между участками А и Б, вторая фаза колебаний потенциала исчезает и регистрируемый потенциал дей­ствия становится однофазным.

+ + + +-*- + + ^ 6

Теория проведения возбуждения при помощи местных токов впервые была выдви­нута Германом в 1899 г. В настоящее время она получила подтверждение в большом числе экспериментов. Так, показано, что если участок нервного волокна поместить в среду, лишенную ионов и, следовательно, обладающую очень высоким сопротивлением (такой средой может быть, например, раствор сахарозы), то проведение возбуждения

через этот участок полностью прекратится. Однако оно тотчас восстанавливается, ес­ли два разобщенных неэлектролитом участка волокна соединить металлическим про­водником.

Скорость проведения зависит не только от сопротивления окружающей волокно среды, но и от внутреннего сопротивления волокна (т. е. сопротивления аксоплазмы на единицу длины). С увеличением диаметра волокна это сопротивление падает, поэтому скорость проведения возрастает. При одном и том же диаметре волокна скорость зави­сит главным образом от величины так называемого фактора надежности, который представляет собой отношение:

Амилитуда потенциала действия, мВ Порог деполяризации, мВ

Чем фактор надежности больше, тем скорость проведения выше и наоборот.

В нервных волокнах фактор надежности обычно 5—6. Это означает, что для поко­ящихся участков мембраны распространяющийся потенциал действия является силь­ным раздражителем, обладающим большим избытком мощности. Поэтому, для того чтобы заблокировать проведение нервного импульса, необходимо либо сильно повысить величину порога деполяризации нервного волокна, либо очень значительно снизить амплитуду его потенциала действия. Местные обезболивающие препараты (новокаин, кокаин, дикаин), применяемые в медицинской практике, вызывают оба этих измене­ния одновременно.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ

При возникновении и проведении возбуждения в нервных клетках и мышечных волокнах про­водит усиление обмена веществ. Это проявляется как рядом биохимических изменений, происходя- цих в мембране и цитоплазме клеток, так и усилением их теплопродукции.

Биохимическими и гистохимическими методами исследования установлено, что при возбуждении габлюдается усиление распада в клетках богатых энергией фосфорных соединений — аденозинтри- [юсфата (АТФ) и креатинфосфата (КФ); процессов распада и синтеза углеводов, белков и липидов; жислительных процессов, приводящих в сочетании с гликолизом к ресинтезу АТФ и КФ; происходят ;интез и разрушение медиаторов, например ацетилхолина и норадреналина; усиление синтеза РНК I белков.

МАКСИМАЛЬНЫЙ РИТМ ИМПУЛЬСАЦИИ

В естественных условиях существования организма по нервным волокнам проходят ie одиночные потенциалы действия, а серии импульсов, следующих друг за другом с раз- шчными интервалами. В двигательных нервных волокнах при произвольных движениях шстота импульсации обычно не превышает 50 в секунду, т. е. межимпульсный интервал доставляет около. 200 мс. При таком большом интервале все восстановительные процес­сы, развивающиеся после окончания потенциала действия (реактивация натриевых кана- юв, восстановление исходной натриевой проводимости, «откачка» из цитоплазмы ионов \Га+ и возвращение внутрь волокна ионов К⁺и т. д.), успевают полностью закончиться. Зднако в чувствительных нервных волокнах (например, в слуховом или зрительном нерве) фи сильном раздражении в начальный момент частота разряда может достигать 1000 и юлее импульсов в секунду при длительности абсолютной рефрактерной фазы 0,5—0,7 мс. Тодобные высокочастотные разряды импульсов появляются при возбуждении и в некото- )ых нервных клетках, например в клетках Реншоу спинного мозга.

Н. Е. Введенский первый обратил внимание на разную способность возбудимых об­разований воспроизводить высокие ритмы раздражений. Максимальное число потен­циалов действия («максимальный ритм»), которое способно возбудимое образование генерировать в 1 с в соответствии и с ритмом раздражения, Н. Е. Введенский предложил в сачестве показателя «лабильности»ткани. В настоящее время ясно, что максимальный

4J ч

Рис. 25. Стадии нарушения проведения через «парабиотический участою> нерва (по Н. Е. Введен­скому).

а — соотношение меяеду силой ритмической стимуляции нормального нерва и высотой тетануса скелетной мышцы. Цифры означают расстояние меяеду катушками индукционного аппарата: чем ближе это расстоя­ние— сильнее раздражение, тем больше частота нервных импульсов и соответственно выше тетанус; бив — то же после смазывания участка нерва 0,5 % раствором кокаина: б — «уравнительная фаза пара­биоза»: раздражения разной силы (частоты) вызывают примерно одинаковый эффект; в — «парадоксальная фаза»: сильные (частые) стимулы дают меньший эффект, чем слабые (редкие).

(предельный) ритм импульсации нервных и мышечных волокон определяется скоростями процессов изменений ионной проводимости, лежащих в основе абсолютной и относитель­ной рефрактерности.

Существуют воздействия, замедляющие реактивацию натриевых каналов и потому увеличи­вающие длительность фазы относительной рефрактерности. К ним относятся, например, местные анестетики. Поэтому участок нервного волокна, подвергнутый воздействию малых концентраций новокаина (или какого-либо другого местного анестетика), утрачивает способность проводить вы­сокочастотные разряды импульсов, тогда как низкочастотные разряды еще продолжают про­ходить.

При высокочастотной стимуляции происходит либо трансформация ритма (блокируется каж­дый второй потенциал действия), либо (при очень частой стимуляции) проходит только первый потенциал действия, а остальные оказываются заблокированными. Объясняется это тем, что при частой стимуляции потенциалы действия, приходящие в альтерированный участок, углубляют инактивацию натриевых каналов, вызванную анестетиком'.

Сходным образом влияют на процесс реактивации повышение концентрации ионов К⁺в окру­жающей нервные волокна жидкости и некоторые другие химические агенты.

Н. Е. Введенский (1901) впервые обнаружил нарушение способности нерва прово­дить высокочастотные разряды импульсов при воздействии на нерв разных химических агентов (рис. 25). Он правильно усмотрел определенное сходство между состоянием, в ко­тором находится нервное волокно при его альтерации химическими агентами, и состояни­ем рефрактерности, сопровождающей нормальный потенциал действия: и в том и вдругом случае, как это теперь установлено, происходит инактивация натриевых каналов.

Представление о «парабиозе» (так называл Н. Е. Введенский состояние альтерированного участка ткани) как о состоянии «местного неколеблющегося возбуждения» и общей реакции воз­будимых образований на повреждающее воздействие и в настоящее время представляет только исто­рический интерес. Обнаружены агенты, снижающие возбудимость (в результате блокады натриевых каналов), но не влияющие на длительность рефрактерных фаз. К числу таких агентов относится, например, специфический блокатор натриевых каналов — тетродотоксин. Имеются также суще­ственные различия в действии агентов, блокирующих проведение, на калиевые каналы и другие транспортные системы мембраны. Таким образом, за внешне сходными изменениями возбудимости и проведения нервных импульсов могут скрываться существенно различные изменения свойств нервного и мышечного волокна.