Часть I

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

26 сентября 1786 года итальянский врач и ученый Луиджи Гальвани сделал важное откры­тие. Он обнаружил, что при прикосновении металлического скальпеля к бедренному нерву ля­гушачьей лапки ее мышцы начали сокращаться. Гальвани предположил, что причиной сокращ­ения являются электрические токи, которые воз­никают в живой возбудимой ткани. Многочис­ленные опыты, которые он ставил, привели его к выводу, что источником электрического тока яв­ляются живые образования – нервы и мышцы.

Однако такой вывод вызвал возражение у дру­гого известного физика – Вольта. Вольта обна­ружил, что сокращения возникают при контакте мышцы или нерва с парой металлических прово­дников, например, медью и цинком. Поэтому Вольта на основании своих опытов пришел к выводу, что источником электрического тока в опытах Гальвани являлся не нерв или мышца, а пара разнородных металлов.

Гальвани не согласился с таким выводом. Он поставил ряд опытов, в которых не использовал металлов вообще.

Первый опыт Гальвани выглядел очень просто. Гальвани использовал препарат икроножной мышцы с нервом. Если свежеперерезанный нерв набросить на мышцу, то она сокращается. Другая модификация этого опыта состоит в том, что надрезается мышца. Если нерв набросить на мышцу так, чтобы он попал на разрез, то мышца сокращается.

Третий опыт. Гальвани также использовал 2 мышцы с нервом. Если на одну мышцу поло­жить нерв другой и первую заставлять сокра­щаться (например, раздражая ее нерв), то вторая мышца также сокращается. Получается, что со­кращающаяся мышца как-то действует на лежащий на ней нерв.

Модификацией этого опыта является запуск мышцы, если нерв лежит на работающем сердце лягушки. В этом случае мышца сокращается в ритме сокращения сердца.

Хотя и эти опыты не убедили Вольта в правиль­ности выводов Гальвани, но время показало, что в споре двух ученых все-таки прав Гальвани.

С появлением гальванометра удалось обнару­жить разность потенциалов между целым и поврежденным участками мышцы. Это сделал в 1837 году итальянский ученый Маттеучи. Он же обнаружил, что разрез мышцы (а это как бы внутренняя часть мышечного волокна) играет роль отрицательного полюса, она как бы отри­цательно заряжена. Маттеучи считал, что обна­руженное на мышце характерно и для нерва. Поэтому­ опыты Маттеучи позволили объяснить первые два опыта Гальвани. Маттеучи повторил и третий опыт Гальвани и доказал, что при возбуждении неповрежденной мышцы между ее частями идет электрический ток, который может возбудить лежащий на ней нерв.

ВОЗБУДИМОСТЬ И ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Продолжая опыты Маттеучи, немецкий физиолог Дюбуа-Раймон обнаружил направление движения электрического тока в мышце и от­крыл ток в нерве. Дюбуа-Раймон обнаружил, что есть минимальная сила раздражения, которая способна заставить мышцу сокращаться. Эту величину он назвал порогом. Обнаружилось, что разные мышцы, а затем и нервы имеют разные пороги. Если возбудимая структура имеет большой порог, значит, ее трудно заставить работать, в том числе труднее заставить возбудиться. Таким образом, порог можно рассматривать как меру возбудимости. Чем выше порог, тем ниже возбудимость.

Дюбуа обнаружил, что возбудимое образование (в том числе мышца) может привыкать к разд­ражению, если оно увеличивается постепенно. Это явление называется аккомодацией.

Один из учеников Дюбуа-Раймона А. Фик впервые показал, что величина порога также зависит от длительности раздражения.

На рисунке j – величина порога, t – время раз­дражения. Самая маленькая сила раздражения, на которую реагирует нерв или мышца, назы­вается реобазой (R). Время, соответствующее реобазе (t_r), называется полезным временем. Но эту величину трудно определить точно. Поэтому используют другую – время, соответствующее удвоенной реобазе, на графике – t_x. Эта хара­ктеристика называется хронаксией. Реобаза и хронаксия – важные характеристики возбуди­мости. Они меняются при изменении функ­ционального состояния нервной системы и мышц (нарисовать график).

В 1876 году французский ученый Марей, повторив опыт Фонтена, показал, что возбуж­дение приводит к потере возбудимости на неко­торое время. Это состояние он назвал абсолют­ной рефрактерностью. Постепенно возбудимость восстанавливается – это состояние или фаза относительной рефрактерности.

Все эти факты, наблюдения нуждались в объ­яснении. Какова причина электрических процес­сов в нерве и мышце? Как они связаны с возбу­димостью, невозбудимостью нервов и мышц? Что влияет на природу электрических процессов в нервах и мышцах? На эти и другие вопросы попытались ответить ученые школы Дюбуа-Раймона.

ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ

ИОННОЙ ТЕОРИИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Сначала замечательный немецкий физиолог и физик Гельмгольц с помощью хитроумных опытов сумел определить скорость возбуждения по нерву. Она оказалась равной нескольким десяткам метров в секунду (около 30 м/сек). Получается, что "животное электричество" распространяется не так, как "неживое", физическое. Причина этого, как предположил немецкий исследователь Бернштейн и независимо от него русский В.Ю. Чаговец, в том, что происхождение биопотенциалов, токов, биоэлектрических явлений в мышцах, нервах связано с электрическими частицами-ионами.

Бернштейн сформулировал гипотезу о том, что "виновником" возникновения биоэлектрических явлений или биопотенциалов являются клеточ­ные мембраны и диффузия ионов. Разработка гипотезы Бернштейна привела к созданию мем­бранной теории биопотенциалов. Она, в основ­ном, разработана английскими учеными А. Ходжкиным и А. Хаксли. Во многом их удача связа­на с использованием уникального объекта. В 1936 году Юнг обнаружил у кальмаров гигант­ское нервное волокно, диаметр которого около миллиметра. Именно на нем Ходжкин и Хаксли впервые прямо измерили разность потенциалов. Очень важным оказалось также появление так называемых микроэлектродов – тоненьких стек­лянных трубочек, кончик которых меньше одной тысячной миллиметра. Такой электрод можно ввести в клетку, не повреждая ее.

Кроме того, очень важную роль сыграло появ­ление нового класса приборов: электронных ос­циллографов и усилителей электрического тока.

С помощью электронного микроскопа удалось увидеть клеточную мембрану. Это произошло в середине 50-х годов XX века.

Клеточная мембрана представляет собой жидкую пленку, состоящую из 2-х слоев молекул липидов, в которые встроены молекулы белков. Эти молекулы белков как бы плавают в липидах. Это напоминает студень (холодец), полупроз­рачная часть которого аналогична липидной части мембраны, а кусочки мяса – белкам. Но белковые молекулы – это не просто часть мем­браны, а структуры, которые влияют на свойство этой мембраны по отношению к различным веществам, в том числе к положительно и отри­цательно заряженным частицам-ионам.

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ

В 1961 году А. Ходжкин со своими сотруд­никами доказал, что решающую роль в возник­новении потенциала у покоящейся нервной клет­ки (потенциала покоя – ПП) играет именно мембрана и основную роль из ионов – ионы К⁺.

Внутри клетки концентрация К⁺ в 30-40 раз больше, чем снаружи. Na⁺, наоборот, – снаружи значительно больше, чем внутри клетки. Но в состоянии покоя мембрана хорошо пропускает К⁺ и плохо Na⁺. Оба иона могут идти через мембрану только по градиенту концентрации. Значит, К⁺ будет выходить из клетки, a Na⁺ в небольшом количестве может входить в клетку (проницаемость мембраны для ионов натрия в 25 раз меньше, чем для ионов калия).

В результате клетка, в основном, теряет положительно заряженные частицы калия. Отрицательность создается за счет дефицита положительных зарядов и отрицательных ионов, существующих в клетке. Это ионы Сl^– и крупные органические молекулы, которые не могут проходить через клеточную мембрану. Эти отрицательно заряженные частицы удерживают ионы К⁺. В результате выход ионов К⁺ из клетки стабилизируется. Определенное количество положительных частиц находится на внешней стороне мембраны и соответствующее количество отрицательных – на внутренней стороне мембраны. За счет этого между внутренней и внешней сторонами мембраны создается разность потенциалов – мембранный потенциал (МП). Эта величина в покое равна расчетной, которую можно получить по формуле Нернста: , где Е – мембранный потенциал (МП) или потенциал покоя (ПП), К – постоянная величина, Т –температура,F – число Фарадея и С₁, С₂ – концентрация К⁺ внутри и вне клетки.

Однако, оказалось, что в состоянии покоя эта величина чуть меньше, чем это следует из теории. А. Ходжкин и Б. Катц, впоследствии вместе с

А. Хаксли, удостоенные Нобелев­ской премии, установили, что это связано с тем, что ионы натрия, хоть и немного, но входят в клетку, нейтрализуют часть положительных зарядов и снижают величину ПП. Если из наружной среды убрать Na⁺ (в эксперименте), то ПП увеличивается. Но если ионы натрия входят в клетку, проходят через мембрану, это должно увеличивать концентрацию Na⁺ в клетке и все время снижать ПП. Но эксперименты свидетельствуют, что величина ПП очень стабильна и даже может служить показателем функционального состояния нервной или мышечной клетки в состоянии покоя.

К-Nа-НАСОС

Оказывается, мембрана нервной клетки снабжена механизмом, который "следит" за постоянством концентраций К⁺, Na⁺ внутри и вне клетки. Этот механизм называется калий-натриевым насосом. Он представляет собой сложные белки, которые имеют два активных центра, один из которых захватывает ион калия, другой – ион натрия. Используя энергию молекул АТФ, насос выбрасывает наружу ионы натрия и загоняет в клетку ионы К⁺. Причем, Na⁺-ионов насос выкачивает несколько больше, чем закачивает К⁺ в клетку. Работа насоса – важный фактор в стабилизации величины ПП.

Таким образом, величина ПП зависит, в основном, от выхода ионов калия из клетки, от соотношения концентраций К⁺ по обе стороны мембраны. Стабилизирующим фактором, удерживающим К⁺ в клетке, являются отрицательно заряженные частицы и, вообще, электрическое поле, возникающее на мембране ("Плюс" снаружи, "Минус" внутри). Снижение ПП за счет поступления ионов Nа⁺ компенсируется работой Na-K насоса. Благодаря деятельности K-Na помпы ПП поддерживается на постоянном уровне.

МЕХАНИЗМ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Что же происходит во время возбуждения? Во время возбуждения меняется проницаемость клеточной мембраны. Впервые это предположил еще Бернштейн в 1912 году. Но эксперимен­тально это удалось доказать только в 1938 году. Несколько позже вездесущие Ходжкин и Хакс­ли, работая на изолированном гигантском аксо­не кальмара, сумели убедительно показать, что основную роль в возбуждении играют ионы натрия.

Исследователи выдавливали содержимое аксона и вместо него вводили растворы, содержащие различные ионы, в том числе и ионы Na⁺. Оказалось, что во время возбуждения сильно увеличивается проницаемость мембраны по отношению к ионам натрия. Положительные ионы натрия нейтрализуют отрицательные заряды на внутренней стороне мембраны. Мембранный потенциал (МП) уменьшается по абсолютной величине. Это явление называется деполяризацией.

а. МЕСТНЫЙ (ЛОКАЛЬНЫЙ) ПОТЕНЦИАЛ

Характер возбуждения зависит от силы раздражения и от его длительности. Если длительность раздражения короткая, то сила раздражения нужна больше; если увеличивать длительность раздражения, то сила раздражения (порогового) падает. Если сила раздражения ниже некоторого определенного МП порога, то ионов натрия входит в клетку небольшое коли­чество. Это количество вызывает небольшую де­поляризацию (МП уменьшается на 5-10 мв). Затем проницаемость мембраны для Na⁺ падает, а клетка избавляется от избытка положительных зарядов. Из нее выходит небольшое количество ионов К⁺, и МП возвращается к нормальной величине ПП. Ионы калия выходят из клетки по градиенту концентрации, поэтому этот процесс не требует дополнительных затрат энергии в данный момент времени. Нарушенный баланс ионов натрия и калия восстанавливается за счет работы K-Na насоса.

Небольшие изменения МП, вызванные небольшими потоками натрия, называются местными или локальными потенциалами. Если сила раздражения больше, то ионов натрия входит в клетку больше, деполяризация увеличивается, то есть МП больше. Но эти изменения МП носят местный характер и затухают недалеко от места возникновения. Такие локальные потенциалы имеют значение при передаче информации от клетки к клетке (в синапсах). Локальные потенциалы могут суммироваться в клетке (нарисовать локальный потенциал).

б. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Если сила раздражения больше порога (мембранный потенциал достигает определенной величины), характер возбуждения меняется, проницаемость мембраны для Na⁺ резко, скачком, увеличивается в десятки раз за короткое время (меньше, чем за мсек). Na⁺ входит в клетку, деполяризует мембрану. Это приводит к увеличению проницаемости для Na⁺, он сильнее деполяризует мембрану и т.д. Возникает лавинообразный процесс, в результате которого мембрана перезаряжается. Сначала нейтрализу­ется электроотрицательность на внутренней по­верхности мембраны. Но натрия поступает так много, что внутренняя поверхность заряжается положительно, внешняя становится заряженной отрицательно. МП меняется с – 70 мв (в покое) до примерно +30 мв. Такое изменение МП назы­вается реверсией потенциала. Затем натриевая проницаемость снижается, а увеличивается кали­евая проницаемость. Поток калия, направлен­ный наружу, становится больше, чем натриевый, направленный внутрь. МП возвращается к исходному уровню (нарисовать график).

Пока не прошла натриевая инактивация (снижение натриевой проницаемости), возбужде­ние вызвать невозможно. К тому же калиевая проницаемость мембраны еще высока. Из-за это­го мембрана оказывается в состоянии рефрактерности. Натриевая инактивация развивается и при медленном нарастании тока. При этом уве­личивается и калиевая проницаемость. Это меха­низм развития аккомодации по Ходжкину-Хаксли.

После возвращения МП к исходному уровню усиливается работа K-Na насоса, и восстанавли­вается исходное соотношение ионов К⁺ и Na⁺.

Эксперименты показывают, что насос может не активизироваться после одного возбуждения. Это связано с тем, что перемещения ионов очень небольшие, поэтому клетка может возбуждаться много раз без включения насоса. Однако, в конце концов, по достижении определенной концентрации Na⁺ внутри клетки насос включается и восстанавливает нормальное соотношение ионов К⁺ и Na⁺ по обе стороны мембраны.

Процессы возбуждения, как оказалось, более сложные, чем представлялось ранее. Разные части клетки имеют свои особенности. Так, на соме мотонейронов много каналов, через которые проходят ионы Na⁺, что неудивительно, но на дендритах есть каналы (ворота) для Са²⁺. В дендритах при возбуждении перемещаются ионы Са²⁺, а не натрия.

РИТМИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ

Процессы, происходящие во время одного ПД, оказывают очень большое влияние на ритмическое возбуждение. Известно, что в норме очень редко в клетке возникает одиночное возбуждение. Как правило, в ответ на раздражение появляется несколько импульсов. Импульсы могут возникать только с определенной частотой, не выше некоторой величины, которая характеризует лабильность нейрона (или его части). Лабильностью называют свойство ритмично возбуждаться с определенной частотой. Чем выше эта частота, тем выше лабильность. Лабильность ограничивается величиной рефрактерности. Обычно продолжительность рефрактерности примерно равна длительности ПД. Если ПД длится 1 мсек, то это означает, что в одну секунду клетка может возбуждаться не чаще 1 сек: 1 мсек = 1000 (раз). Разные части клетки обладают разной лабильностью. Так, самой лабильной частью является аксон. Он может возбуждаться до 2000 раз в секунду.

А что произойдет, если клетку или группу клеток попытаться возбуждать с частотой, превышающей ее лабильность? В этом случае в структуре постепенно нарастают изменения, которые приводят к снижению активности – торможению. Этот вид торможения называется парабиозом Введенского. Механизмом его является, по-видимому, инактивация Na⁺-каналов. Парабиоз развивается в несколько этапов (фаз). На первом этапе, уравнительном, структура отвечает одинаково на любую стимуляцию. На втором, парадоксальном, ответ сильный на слабое раздражение, а на сильное раздражение – наоборот, ответ слабый. На третьем этапе, когда полностью инактивируются натриевые каналы, наступает торможение.

Если частота раздражения не выходит за физиологические рамки, то возникающие импульсы распространяются по аксону к другой клетке (клеткам), передают информацию о соответствующем событии. Информация кодируется частотой импульсов, их количеством и адресом, по которому идут сигналы.

ПРОВЕДЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПО НЕРВНЫМ ВОЛОКНАМ

Импульсы идут с разной скоростью. Эта скорость зависит от двух факторов: диаметра нервного волокна и от того, покрыто оно миелином или нет. Чем толще волокно, тем скорость выше. Это связано с особыми кабельными свойствами нервного волокна. Появление возбуждения происходит как бы от­ точки к точке. В процессе развития ПД происходит кратковременная перезарядка клеточной мембраны: внутренняя сторона заряжается положительно, наружная отрицательно. Соседние невозбужденные участки заряжены наоборот. Рядом оказываются положительно и отрицательно заряженные участки. От плюса к минусу течет электрический ток вдоль клеточной мембраны. Этот ток возбуждает ранее невозбужденный участок. Возбуждение этого участка приводит к появлению электрического тока уже между этим и соседним невозбужденным участками. Так непрерывно, от точки к точке, распространяется возбуждение, как, например, горит спичка. Разница только в том, что сгоревшая спичка снова уже гореть не будет, а волокно через некоторое время после возбуждения (когда пройдет фаза рефрактерности) снова готово генерировать импульсы (нарисовать схему).

Скорость проведения возбуждения увеличивается, если волокно покрыто миелиновой оболочкой. Миелиновая оболочка представляет собой глиальные клетки, которые окружают плотным слоем аксон нейрона. Участки, где нет миелина, – перехваты Ранвье, могут возбуждаться, остальные как бы покрыты изолятором – электронейтральны (такой аксон похож на гирлянду сосисок. Участок аксона с миелиновой оболочкой выглядит как сосиска). Поэтому возбуждение как бы прыгает по перехватам. Между возбужденным перехватом и соседним невозбужденным течет электрический ток. Механизм его такой же, как у волокна, не покрытого миелином.

Открываются натриевые каналы, натрий-ионы входят внутрь аксона, а затем усиливают свои возможности калиевые, и все восстанавливается. В эксперименте можно обнаружить, что возбуждение перепрыгивает через 1-2 перехвата. За счет этого скорость проведения возбуждения еще больше возрастает. В толстых миелинизированных волокнах оно достигает 120 м/сек. Это примерно вдвое выше максимальной скорости проведения возбуждения в самых толстых волокнах беспозвоночных (диаметром 1 мм) (нарисовать схему проведения возбуждения).

Высокая скорость распространения импульсов в относительно толстых волокнах, покрытых миелином (диаметр менее 0,1 мм), позволяет существенно сэкономить площадь, которую занимают такие нервные проводники, например, в спинном мозге. Проводящие пути спинного мозга (белое вещество) – это скопление большого количества нервных волокон с разными характеристиками, в частности, скоростями проведения. Если бы это были волокна без миелина, то они должны были быть очень толстыми, чтобы обеспечить нужную скорость проведения импульсов. Диаметр спинного мозга должен был быть во много раз больше, примерно с диаметр туловища человека.

Кроме того, миелиновая оболочка уменьшает влияние разных нервных волокон друг на друга во время возбуждения.

СИНАПС

С помощью импульсов каждая нервная клетка передает информацию другим клеткам. Место контакта одной клетки с другой – синапс – обладает рядом особенностей. Одной из важнейших является то, что электрический импульс просто так не может перескочить с клетки на клетку. Его мощность слишком мала для решения этой задачи. Однако ее можно решить с помощью посредника. В качестве посредника выступают различные химические вещества. Импульс вызывает выброс посредника (медиатора) в пространство между клетками. Медиатор взаимодействует с белково-липидными комплексами мембраны клетки, которой адресована информация. В результате этого взаимодействия увеличивается проницаемость этой мембраны (постсинаптической) по отношению к каким-либо ионам. Если увеличивается проницаемость натриевая, то развивается деполяризация мембраны, то есть Na⁺ поступает внутрь клетки. В таком синапсе изменение мембранного потенциала носит название ВПСП –возбуждающего постсинаптического потенциала. Если ВПСП достигает определенного порогового уровня, натриевая проницаемость увеличивается резко, скачком, и возникает электрический импульс, распространяющийся дальше. Таким образом, в случае необходимости передачи возбуждения биоэлектрические события в синапсе развиваются так же, как и при обычном возбуждении в клетке. Только для передачи сигнала от клетки к клетке нужен медиатор. Но медиатор может вызвать увеличение проницаемости к другим ионам: К⁺ или С1^– . Это характерно для так называемых тормозных синапсов. В этом случае перемещение ионов приводит к гиперполяризации мембраны. Возникает ТПСП – тормозной постсинаптический потенциал. Мембранный потенциал возрастает по абсолютной величине, и возбудить такую структуру сложно. Такие синапсы служат для блокирования передачи информации или ее ограничения (нарисовать ТПСП, ВПСП).

Существует небольшое количество так называемых электрических синапсов. Простейшим видом такого синапса (эфапса) можно считать контакты между волокнами в одном нервном стволе. При возбуждении волокон они влияют друг на друга, что ускоряет проведение импульсов и их синхронизацию. В некоторых случаях обнаруживаются электрические синапсы, похожие на обычные химические. Они могут обходиться без химического медиатора благодаря некоторым физическим особенностям организации мембран. Кроме ионного механизма, важную роль играют электрические поля.

Биоэлектрические явления в нервных и мышечных клетках, в синапсах имеют ионную природу. Основную роль выполняют ионы Na⁺, К⁺, Сl^– и Са²⁺. При возбуждении или торможении ионы перемещаются через клеточную мембрану. Свойства мембраны пропускать те или иные ионы, связаны с наличием определенных специализированных каналов, через которые эти ионы могут проходить. Закономерности работы мембраны, перемещения ионов при возбуждении и других функциях хорошо согласуются с мембранной теорией биопотенциалов, разработанной А. Ходжкиным и

А. Хаксли. XX век окончательно подтвердил правоту утверждения Гальвани о том, что живая клетка является источником электрического тока.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Беркинблинт М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в живых организмах. М.: Наука, 1988.

2. Кац Б. Нерв, мышца и синапс. М.: Мир, 1968.

3. Костюк П.Г. Физиология центральной нервной системы. Киев: Высшая школа.

4. Ноздрачев А.Д., Баранников И.А., Батуев А.С. и др. Общий курс физиологии человека и животных. / Кн. 1. Физиология нервной, мышечной и сенсорных систем. М.: Высшая школа, 1991.

5. Шмидт Р. и Тевс Г. (ред.). Физиология человека. / Т. 1. Нервная система. М.: Мир, 1985.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Чем определяется величина потенциала покоя?

2. Чему был бы равен ПП, если проницаемость для Na⁺ и К⁺ была бы одинакова?

3. Когда в отсутствие внешнего раздражения может возникнуть потенциал действия?

4. Что должно происходить с МП, если выход К⁺ превышает вход Na⁺ в клетку?

5. Что такое порог с точки зрения соотношения К⁺- и Na⁺-потоков?

6. Почему нервное волокно после возбуждения в течение некоторого времени (абсолютно рефрактерного периода) нельзя возбудить?

7. От каких факторов зависит скорость проведения возбуждения по нервным волокнам?

8. Почему нервные волокна имеют разный диаметр?

9. Почему не все волокна в нервной системе человека и животных покрыты миелином?

10. Почему в синапсе для передачи сигналов необходимы химические посредники?

11. Чем отличаются электрические процессы в возбуждающих и тормозных синапсах?