5. Изменение возбудимости клетки при возбуждении

   1. Общая характеристика. На возбудимость клетки сильное влияние оказывает величина порогового потенциала (расстояния между МПП и КУД): уменьшение порогового потенциала увеличивает возбудимость, увеличение – уменьшает. В свою очередь, на сдвиги КУД резко влияет величина инактивации натриевых каналов (в норме она равна примерно 20%): увеличение инактивации сдвигает КУД вверх (увеличивает пороговый потенциал и снижает возбудимость), снижение – сдвигает КУД вниз (снижает пороговый потенциал и увеличивает возбудимость). Во время ПД в клетке развиваются следующие фазы изменения возбудимости: абсолютная рефрактерность, относительная рефрактерность, супернормальная и субнормальная возбудимость (рис. 2.6).

   2. Ф аза абсолютной рефрактерности характеризует полную невозбудимость клетки (инактивация Nа⁺-каналов более 50%). Её продолжительность соответствует времени восходящей и частично нисходящей (до уровня примерно на 15 мВ позитивнее КУД) фазам ПД, и равна приблизительно 90% времени спайка ПД. Абсолютная рефрактерность создает прерыви­стый характер возбуждения (например, импульсную актив­ность нейрона), поскольку вызвать новый ПД в этой фазе невозможно. Она лимитирует максимальную частоту возникновения ПД в клетке (например, если рефрактерность равна 2 мс, то клетка не может генерировать более 500 ПД в 1 с). Максимальная частота ПД является показателем лабильности клетки. (Понятие о лабильности возбудимых клеток предложено Н.Е. Введенским в 1892 г., она характеризует ско­рость, с которой клетка успевает закончить потенциал действия во времени. Длительность фазы абсолют­ной рефрактерности в нервных волокнах равна примерно 1 мс, скелетных миоцитах – 5 мс, сердечных миоцитах – 270 мс.)

   3. Фаза относительной рефрактерности соответствует интервалу времени, в течение которого МП в фазе реполяризации равен уровню КУД ± 10–15 мВ. В это время возбудимость снижена, и но­вый ПД можно получить при действии более сильных (сверхпороговых) раздражителей.

   4. Фаза супернормальной возбудимости в процессе ПД соответствует следовой деполяризации. В этой фазе возбудимость повышена (пороговый потенциал снижен), и клетка может образовывать ПД при действии слабых, субпорого­вых раздражителей.

   5. Фаза субнормальной возбудимости в процессе ПД соответствует следовой гиперполяризации. Возбудимость клетки снижена (пороговый потенциал увеличен), ПД можно вызвать сверхпороговым раздражителем. Благодаря этой фазе клетка может работать в медленном ритме импульсации, если на нее не дей­ствуют сильные раздражители. В целом существование различных фаз возбудимости уве­личивает количество вариантов ответа возбудимой клетки при действии раз­личных по силе раздражителей.

6. Основные закономерности возбуждения клеток и тканей

1. Роль силы раздражителя.

• По силе раздражители разделяют на пороговые, субпороговые и сверхпороговые.

• Пороговый раздражитель – это раздражитель минимальной силы, способный вызвать возбуждение (ПД) при неограниченном времени его действия. Сила порогового раздражителя является показателем возбудимости клетки. Они находятся в обратной зависимости: чем меньше сила порогового раздражителя, тем больше возбудимость клетки, и наоборот. Наибольшей возбудимостью обла­дают нервные клетки.

• Субпороговый раздражитель вызывает в возбудимой клетке препотенциал, деполяризация при котором не достигает КУД, и возбуждение при этом носит локальный характер.

• Сверхпороговые раздражители (как и по­роговый) вызывают в клетке возбуждение (ПД).

• Ответная реакция как возбудимой клетки, так и возбудимой ткани может осуществляться по закону «все или ничего» или по закону «силы»».

• З акон «все или ничего». В соответствии с законом «все или ничего» ответная реакция клетки и ткани не зависит от силы сверхпороговых раздражителей: и поро­говый и сверхпороговые раздражители дают одинаковую амплитуду реак­ции. По этому закону реагирует клетка, если в ней образуется ПД, и миокард (ткань сердца), поскольку его миоциты связаны друг с другом высокопроводящими контактами, и ПД из одной клетки легко переходит в другую (ткань реагиру­ет как одна клетка).

• Закон «силы». В соответствие с законом «силы» ответная реакция в определенном диапазоне находится в пря­мой зависимости от силы раздражителя: чем больше сила, тем больше ам­плитуда ответной реакции. В соответствии с законом «силы» реагирует клетка, если в ней образуются локальные потенциалы: рецепторный, постсинаптические и препотенциал, амплитуда которых зависит от силы раздражителя. Кроме того, эти потенциалы способны к суммации при действии частых раздражителей. По закону «силы» может реагиро­вать и ткань (мышечная, нервная) поскольку в каждый момент она содержит клетки в разной форме возбудимости – нормальной возбудимости, относительной рефрактерности, супернормальной и субнормальной возбудимости. Поэтому более сильный раздражитель будет включать бòльшее количество клеток в ответную реакцию.

• Нарушение закона силы. Русский физиолог Н.Е. Введенский (1896 – 1901 г.г.) в опытах возбуждения скелетной мышцы с нерва открыл два явления противоречащих закону силы – пессимум силы раздражения и парабиоз.

• П ессимум силы раздражения (рис. 2.7). Если после достижения максимального сокращения увеличивать силу раздражителя, то сокращение резко уменьшается вплоть до полного расслабления мышцы. Оно не связано с утомлением мышцы, так как уменьшение силы раздражения мышцы приводит к повышению сокращения. Введенским было показано, что пессимум возникает в первую очередь в структурах, обладающих наименьшей лабильностью. В нервно-мышечном препарате таким местом является синапс (место передачи возбуждения из нейрона на мышечную клетку). Показатель его лабильности равен 80–100 Гц (для сравнения у нервного волокна 500–1000 Гц, у мышечных клеток – около 200 Гц). Ос­новной механизм пессимума ответной реакции связан со снижением эффек­тивности синаптической передачи – явлением «синаптической депрессии» (3.4, п. 5). Парабиоз (рис. 2.8). В опытах на нервно-мышечном препарате Н.Е. Введенским установлено, что при действии на нерв деполяризующих раздражи­телей (растворов кокаина, КСI, охлаждения и др.) возникает участок пара­биоза (para – около, bios – жизнь), в проведении возбуждения через который были отмечены фазные изменения. В исходном состоянии сокращения мышцы в ответ на действие на нерв различ­ных по силе раздражителей соответствовали закону «силы». Развитие пара­биоза протекало в три стадии – уравнительной, парадоксальной и тормозной.

• Уравнительная стадия характери­зуется тем, что при действии раздражителей разной силы возникали примерно одинаковые со­кращения мышцы.

• Парадоксальная стадия характеризуется тем, что амплитуда ответной реакции на слабые раздражители больше, чем на сильные.

• Тормозная стадия характеризуется отсутствием ответной реакции как на слабые, так и сильные раздражители. Если повреждение в области па­рабиоза не достигло грубых структурных изменений, то после прекращения действия повреждающего фактора фазы парабиоза проходят обратное развитие, возбудимость и проводимость этого участка восстанавливаются.

2. Р оль скорости нарастания силы раздражителя. В середине 19 века была выяснена зависимость эффекта раздражения от скорости нараста­ния электрического тока, которая была обозначена как закон крутизны. Суть закона заключается в том, что для воз­никновения возбуждения (ПД) необходима определенная скорость нараста­ния силы раздражителя (например, электрического тока), ниже которой возбуждение вообще не возни­кает (происходит как бы «ускользание» от раздражителя). Явление при­способления возбудимых структур к медленно нарастающим по силе раз­дражителям было названо аккомодацией (Э. Дюбуа-Реймоном, 1848). Оно показано на рис 2.9, из которого видно, что более быстро нарастающая сила раздражителя (А, Б) вызывает возникновение ПД, а пологий раздражитель (В) вызывает только локальный ответ, не достигающий КУД. Основной механизм аккомодации связан с тем, что медленно нарастающая деполяризация вызывает увеличение инактивации Na⁺-каналов, которая сдвигает КУД вверх, что повышает пороговый потенциал и снижает возбудимость. При закрыва­нии более 50% натриевых каналов клетка становится невозбудимой.

3. Роль длительности действия раздражителя. Кроме силы раздражителя и быстроты ее изменения, важное значение имеет длительность действия раздражителя (рис. 2.10). В сверхпороговом диапазоне, чем больше сила раздражителя, тем меньше время его дейст-

в ия, необходимое для возбуждения. При очень кратковременном действии раздражителя возбуждение не возникает как бы была ни велика его сила. Например, токи высокой и сверхвысокой частоты (более 100 кГц, время импульса менее 0,01 мс) большой мощности не вызывают потенциал действия, а оказывают только тепловой эффект в результате колебания дипольных молекул. В эксперименте и медицинской практике для характеристики возбудимости клеток нервной и мышечной систем определяют хронаксию – наименьшее время, необходимое действия раздражителя, сила которого в два раза больше порогового. Уменьшение хронаксии характеризует повышение возбудимости, увеличение хронаксии – снижение возбудимости. (В норме хронаксия мышц конечностей человека равна 0,1 – 0,7 мс, однако при этом определяется не хронаксия мышц, а хронаксия двигательных нервных волокон в мышце. При полном поражении мотонейронов спинного мозга или двигательного нерва она увеличивается до 500 мс, что используется для диагностики неврологических заболеваний.)

Таблица 2.