3. 8. Оценка возбудимости ткани и клетки (законы раздражения)
Возбудимость клетки меняется не только в процессе ее возбуждения, но и при изменении химического состава внеклеточной жидкости, например, в результате длительной высокой активности клеток, отклонения показателей внутренней среды в патологических случаях. Возбудимость различных нейронов вариабельна. Наиболее возбудимы нейроны ретикулярной формации (см. раздел 5.4).
Показателями состояния возбудимости ткани являются пороговый потенциал, пороговая сила и пороговое время.
А. Пороговый потенциал (ДV) - это минимальная величина, на которую надо уменьшить мембранный потенциал покоя, чтобы вызвать возбуждение (ПД). ДV и возбудимость клеток находятся в обратных соотношениях: небольшая величина ДV свидетельствует о высокой возбудимости клетки. Если, например, уменьшение мембранного потенциала (частичная деполяризация) на 5-10мВ вызывает возникновение ПД, то возбудимость клетки высока. Напротив, большой ДV (30-40мВ) свидетельствует о более низкой возбудимости клетки. Однако во всех случаях ПД возникает только при достижении критического уровня деполяризации клеточной мембраны (Екр).
Критический уровень деполяризации Екр КУД - это минимальная деполяризация клеточной мембраны, при которой возникает ПД. Дальнейшее раздражение клетки и искусственное снижение ПП ничего не изменяет, поскольку деполяризация клетки, достигнув критической величины, сама по себе ведет к открытию потенциалзависимых ворот Na-каналов, в результате чего Nа+ устремляется в клетку, т.е. ускоряется деполяризация независимо от действия раздражителя (регенеративный процесс). Критический уровень деполяризации клеточной мембраны обычно составляет -50 мВ. При величине ПП, например, 60 мВ (Ео) деполяризация - уменьшение ПП на 10 мВ - приведет к достижению Екр (50 мВ) и возникнет ПД. Если ПП равен -90 мВ, то для вызова ПД надо снизить ПП на 40 мВ. В последнем случае возбудимость клетки значительно ниже. Таким образом:
Соотношения между ДV, Ео и Екр показаны на рис. 3.7: наибольшая возбудимость при наименьшем ДV (см. рис. 3.7, я), наименьшая возбудимость при наибольшем ДV (см. рис. 3.7, в). ДV не зависит от критического уровня деполяризации (Екр), но зависит от величины ПП клетки (Ео), поскольку Екр, как отмечалось, - величина довольно постоянная.
Рис. 3.7. Зависимость возбудимости клетки от Ео - величины мембранного потенциала при одинаковой величине Екр - критического уровня деполяризации мембраны. ДV1 = 10мВ; ДV2= 20 мВ; ДV3= 30мВ. (Объяснение в тексте.)
Величина ПП изменяется в различных условиях деятельности клетки, вследствие этого изменяется и ее возбудимость, например, при изменении концентрации ионов Са2+ , рН среды. Если концентрация ионов Са2+ в среде повышается, то клетка становится менее возбудимой, поскольку возрастает мембранный потенциал, вследствие чего Ео удаляется от Екр. В случае, если концентрация ионов Са2+ снижается, то возбудимость клетки возрастает, так как мембранный потенциал уменьшается, Ео приближается к Екр. Однако если мембранный потенциал медленно снижается ниже Екр (-50 мВ), например в условиях охлаждения или гипоксии, то клетка становится невозбудимой вследствие инактивации Na-каналов и невозможности достичь Екр.
Несмотря на то что ДV является наиболее точной мерой состояния возбудимости клетки, используется этот показатель в эксперименте из-за сложности процедуры реже, чем другие. В частности, с учебной целью, а нередко и в научных исследованиях применяются такие критерии, как пороговая сила и хронаксия.
Б. Пороговая сила - это наименьшая сила раздражителя, способная вызвать возбуждение (ПД) при неограничении ее действия (рис. 3.8, проекция точки А на ординату). Сила раздражителя - понятие собирательное: оно отражает степень выраженности раздражающего воздействия стимула на ткань. Например, сила электрического тока выражается в амперах (А), температура среды -в °С, концентрация химического вещества - в миллимолях на 1 л, сила звука - в децибелах (дБ) и т.д. При использовании в качестве раздражителя электрического тока предложенное определение пороговой силы совпадает с понятием «реобаза». Реобаза - это наименьшая сила тока, способная вызвать импульсное возбуждение. Если пороговая сила раздражителя мала, возбудимость ткани высокая. Чем ниже пороговая сила, тем выше возбудимость ткани. Большая пороговая сила свидетельствует о низкой возбудимости ткани. При внутриклеточном раздражении пороговая сила электрического тока для различных клеток равна 10-7-10-9 А.
В. Пороговое время - это минимальное время, в течение которого на ткань должен действовать раздражитель пороговой силы, чтобы вызвать ее возбуждение (рис. 3.8, проекция точки А на абциссу). Пороговое время называют также полезным временем, так как раздражитель обеспечивает деполяризацию только до критического уровня (Екр). Далее ПД развивается независимо от действия раздражителя, дальнейшее раздражение уже становится ненужным, бесполезным, поскольку ПД - это регенеративный процесс, происходящий благодаря накопленной энергии клеткой в виде концентрационных градиентов различных ионов. В эксперименте для оценки возбудимости ткани чаще используют не пороговое время, а хронаксию, так как пороговое время - очень тонкий критерий. Поэтому малейшие изменения возбудимости ткани ведут к изменению порогового времени. Хронаксия - это наименьшее время, в течение которого должен действовать ток в две реобазы, чтобы вызвать возбуждение (см. рис. 3.8, проекция точки Б на абциссу).
Рис. 3.8. Кривая - сила-длительность. На абсциссе - длительность раздражения; на ординате - сила раздражения
Соотношение между временем действия раздражителя и сверхпороговой силой, необходимой для вызова возбуждения, показано на рис. 3.8. Кривая в виде гиперболы (кривая Гоорвега-Вейса-Лапика) демонстрирует, что с увеличением силы действующего раздражителя (сверхпороговое раздражение) время его действия, необходимое для вызова возбуждения, уменьшается. Из графика (правая часть) также следует, что, если для получения возбуждения использовать раздражитель, по амплитуде меньший реобазы, возбуждение ткани не возникнет даже в том случае, если время его действия будет бесконечно большим. С другой стороны, если для получения возбуждения использовать раздражитель, время действия которого будет меньше некоторого критического интервала (левая часть графика), то возбуждение ткани не будет получено даже при бесконечно большой силе раздражителя. Поэтому высокочастотный переменный ток (>10 кГц) опасности для организма не представляет: при сверхкоротком воздействии на ткань электрический ток вызывает лишь тепловой эффект, что используется в клинической практике для глубокого прогревания тканей при различных патологических процессах. Электрический ток с частотой от 0,5 до 1 мГц также можно использовать в лечебных целях.
Низкочастотный переменный синусоидальный ток (50 Гц) стимулирует возбудимые ткани. Стимулы синусоидального тока частотой 50 Гц большого напряжения опасны для жизни, они могут вызвать фибрилляцию сердца с летальным исходом.
При возбуждении отдельных нейронов они взаимодействуют друг с другом с помощью синапсов.
Глава 4 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙРОНОВ ЦНС
Нейроны ЦНС посылают импульсы друг другу по аксонам (нервным волокнам), которые дихотомически делятся и образуют синапсы на теле или дендритах других нейронов. Имеются прямые и обратные связи нейронов друг с другом.
4.1. ПРОВЕДЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПО НЕРВНЫМ ВОЛОКНАМ
Как известно, потенциалы могут быть локальными, способными распространяться с декрементом (затуханием) всего на 1-2 мм, и импульсными (ПД), которые распространяются без декремента по всей длине нервного или мышечного волокна - до нескольких десятков сантиметров: например, от мотонейронов спинного мозга до мышечных волокон конечностей с учетом и длины самих конечностей. Локальные потенциалы могут возникать в любой клетке, способной генерировать ПД при действии подпорогового раздражения, а также в структурах нервной ткани, не имеющих быстрых потенциалзависимых каналов. Таковыми являются постсинаптические мембраны, мембраны сенсорных рецепторов, часть мембраны тела нейрона и дендрита, клетки нейроглии.
А. Механизм проведения локального потенциала. Локальные потенциалы (препотенциал, рецепторный потенциал, возбуждающий постсинаптический потенциал) изменяют мембранный ПП, как правило, в сторону деполяризации в результате входа в клетку ионов Na+ В результате этого между участком волокна, в котором возник локальный потенциал, и соседним участком мембраны формируется разность потенциалов, вызывающая передвижение ионов согласно электрическому градиенту. В частности, ионы Na+ на наружной поверхности мембраны начинают перемещаться в сторону того участка, в котором первично возник локальный потенциал, при этом положительный потенциал наружной поверхности мембраны соседнего участка уменьшается. Аналогичные изменения наблюдаются на внутренней поверхности мембраны, где вошедшие в клетку ионы Na+ движутся в обратном направлении, что также ведет к уменьшению отрицательного потенциала соседнего участка. В итоге поляризации соседнего участка мембрана уменьшится. Возникшая частичная деполяризация соседнего участка клеточной мембраны вызывает при достижении 50% Екр открытие рядом расположенных потенциалчувствительных ионных каналов клеточной мембраны (см. раздел 2.6.4), что обеспечивает ионный ток в этом месте и, как следствие, частичную деполяризацию мембраны - локальный потенциал. Последний также действует на соседний участок мембраны и т.д., при этом главное направление движения ионов (Na+ - внутрь клетки, ионов К+- из клетки), т. е. перпендикулярно клеточной мембране. Если деполяризация соседнего участка мембраны также не достигает критического уровня, то она не обеспечивает возникновения ПД. При этом быстро развивается инактивация Na-каналов, поэтому деполяризация быстро сменяется реполяризацией вследствие выхода ионов К+ из клетки по неуправляемым каналам (каналы утечки ионов), в результате чего локальный потенциал затухает.
Подобный механизм распространения локального потенциала наблюдается только в тех мембранах, которые содержат потенциал-чувствительные ионные каналы.
Если возникшая деполяризация мембраны не сопровождается изменением проницаемости потенциалзависимых натриевых, кальциевых и калиевых каналов, такую деполяризацию называют электротонической (физической).
Электротоническое распространение возбуждения характерно для фрагментов мембран возбудимых клеток, где нет потенциалзависимых ионных каналов, и ионы движутся только вдоль мембраны волокна. Такими участками являются, например, мембраны дендритов большинства нервных клеток, межперехватные промежутки в миелиновых нервных волокнах. Если распространяющееся локальное возбуждение достигает участков мембраны, способных генерировать ПД (перехваты Ранвье, аксонный холмик нейрона), и их амплитуда выходит на критический уровень деполяризации, формируется ПД, распространяющийся по всей длине волокна.
Эффективность электротонического распространения биопотенциалов зависит от физических свойств нервного волокна: сопротивления, емкости мембраны, сопротивления цитоплазмы. Электротоническое проведение в нервном волокне улучшается при увеличении его диаметра, что связано с уменьшением сопротивления цитоплазмы, а также при миелинизации волокна, увеличивающей сопротивление мембраны.
Проводимость нервного волокна для локального потенциала характеризует постоянная длины мембраны лm — расстояние, на которое может электротонически распространиться биопотенциал, пока его амплитуда не уменьшится до 37% от исходной величины. Постоянная длины мембраны тонких безмиелиновых волокон не превышает 1 мм, толстых миелиновых волокон достигает 5 мм.
Передача информации на большие расстояния в пределах нервной системы осуществляется с помощью нервных импульсов (ПД) по аксонам нейронов.
Б. Механизм проведения потенциала действия. Обязательным условием проведения нервного импульса является наличие на всем протяжении или в ограниченных, но повторяющихся участках волокна быстрых потенциалзависимых (потенциалчувствительных) каналов, ответственных за формирование ПД. В распространении ПД можно выделить два этапа: этап электротонического проведения, обусловленного физическими свойствами нервного волокна, и этап генерации ПД в новом участке на пути его движения. В зависимости от расположения и концентрации ионных каналов в мембране волокна возможно два типа проведения ПД: непрерывный и сальтаторный (скачкообразный).
1. Непрерывное проведение нервного импульса (ПД) осуществляется в безмиелиновых волокнах типа С, что объясняется равномерным распределением потенциалчувствительных ионных каналов, участвующих в генерации ПД. Возникший ПД обеспечивает открытие потенциалзависимых Na-каналов на соседнем участке мембраны нервного волокна и движение ионов Na+ внутрь волокна и вдоль волокна, т.е. электротонически, что обеспечивает развитие критического уровня деполяризации на соседнем участке нервного волокна и возникновение нового ПД. Постоянная длины мембраны (лm) безмиелиновых волокон составляет примерно 0,1-1,0 мм, т.е. эта величина во много раз больше расстояния между отдельными каналами, что обеспечивает высокую надежность проведения ПД, способного деполяризовать мембрану до критического уровня и обеспечить генерацию нового ПД (рис. 4.1). Следует также отметить, что чисто электротонический этап распространения ПД (вдоль мембраны) в безмиелиновом волокне предельно мал и наблюдается только до достижения деполяризации мембраны 50% Екр. Далее включается перпендикулярное перемещение ионов за счет активации ионных каналов, при этом в каждом участке мембраны ПД возникает заново, поэтому он проводится без снижения амплитуды - без декремента.
Рис. 4.1. Непрерывное распространение ПД в нервном волокне. 1 - возникновение ПД в нервном волокне и распространение ПД в обе стороны от места возникновения. В области деполяризации мембраны (1) преобладает входящий в клетку натриевый ток; 2 - соседняя область, в которой локальный ток от области ПД вызывает деполяризацию до критического уровня
Рис. 4.2. Сальтаторное распространение ПД в миелиновых нервных волокнах. Возникновение ПД в перехвате Ранвье среднего участка волокна и распространение ПД в обе стороны от места возникновения. Стрелками показаны токи на электротоническом этапе распространения ПД. В области перехватов Na+- движется в клетку, К+ - из клетки
Непрерывное распространение нервного импульса идет через генерацию новых ПД по эстафете, когда каждый возникший импульс является раздражителем для соседнего участка нервного волокна и обеспечивает возникновение нового ПД.
2. Сальтаторное проведение нервного импульса (ПД) осуществляется в миелиновых волокнах, так как у них потенциалчувствительные ионные каналы локализованы только в участках мембраны перехватов Ранвье, где их плотность достигает 12 000 на 1 мкм2. В области миелиновых муфт (межузловые сегменты), обладающих высокими изолирующими свойствами, потенциалчувствительных каналов почти нет, вследствие чего мембрана осевого цилиндра там практически невозбудима. Поэтому ПД, возникший в одном перехвате Ранвье, электротонически (продольно, без участия ионных каналов) распространяется до соседнего перехвата и деполяризует мембрану до критического уровня, что ведет к возникновению нового ПД, т.е. возбуждение проводится скачкообразно (рис. 4.2). Движение ионов Na+ внутрь миелинового волокна (перпендикулярно) имеется только в области перехвата Ранвье. Как отмечалось, постоянная длины мембраны (лm) миелинового волокна достигает 5 мм. Это обеспечивает высокую надежность проведения ПД, так как он, распространяясь электротонически на это расстояние, сохраняет 37% от своей амплитуды (около 30 мВ) и может деполяризовать мембрану до критического уровня (пороговый потенциал в перехватах Ранвье равен около 15 мВ). Даже в случае повреждения ближайших перехватов Ранвье на пути следования ПД он может электротонически возбудить 2-4-й и даже 5-й перехваты.
Сальтаторное проведение нервных импульсов является эволюционно более поздним механизмом, возникшим впервые у позвоночных в связи с миелинизацией нервных волокон. Оно имеет два важных преимущества по сравнению с непрерывным механизмом проведения возбуждения:
• более экономично в энергетическом плане, так как возбуждаются только перехваты. Ранвье, площадь которых составляет менее 1% от площади мембраны волокна, следовательно, надо меньше энергии для восстановления трансмембранных градиентов ионов Na+ и К+, уменьшающихся в процессе возникновения ПД;
• возбуждение проводится с большей скоростью (до 120 м/с), чем в безмиелиновых волокнах (0,5-2,0 м/с), так как электротоническое распространение ПД в области миелиновых муфт происходит значительно быстрее, чем в результате непрерывной генерации ПД в безмиелиновых волокнах. В связи с этим миелиновые волокна в нервной системе сформировались там, где необходима наиболее быстрая регуляция функций. В миелиновых волокнах ПД как бы перескакивает от одного перехвата Ранвье к другому.
В. Закономерности проведения возбуждения по нервным волокнам.
1. Двустороннее проведение возбуждения доказывается регистрацией нервных импульсов с двух сторон от места нанесения раздражения на нерв, способного вызвать возбуждение (рис. 4.1). В условиях целого организма двустороннее проведение наблюдается в аксонном холмике нейрона. Возникающий в этом месте ПД переходит не только на аксон, но и на тело нейрона.
2. Изолированное проведение возбуждения в отдельных нервных волокнах. Обычно оно не передается с одного нервного волокна на другое. Это обусловлено тем, что петли тока в межклеточной жидкости ствола, имеющей низкое сопротивление, почти не проникают в невозбужденные волокна нерва вследствие высокого сопротивления их оболочек. Изолированное проведение импульсов по нервным волокнам обеспечивает высокую точность регуляторной деятельности ЦНС на другие нервные клетки и клетки-эффекторы рабочего органа.
3. Большая скорость проведения возбуждения, достигающая 120 м/с. Скорость проведения возбуждения по нервному волокну определяется его диаметром: чем толще нервное волокно, тем больше скорость проведения ПД по этому волокну. Так, при увеличении диаметра от 12 до 22 мкм скорость распространения нервного импульса возрастает от 70 до 120 м/с, при диаметре 8-12 мкм скорость составляет 40-70 м/с, 4-8 мкм - 15-40 м/с, 1-4 мкм - 5-15 м/с.
4. Неутомляемостъ нервного волокна. Н.Е.Введенский (1883) обнаружил, что нерв сохраняет способность к проведению возбуждения в течение 6-8 ч непрерывного раздражения. Это обусловлено тем, что при проведении ПД по нервным волокнам используется 1/1 000 000 часть запасов трансмембранных ионных градиентов и, следовательно, нужны небольшие количества АТФ для восстановления ионных градиентов. Расход энергии в нерве примерно в 16 раз меньше, чем на соответствующую единицу массы в целом организме в условиях покоя.
5. Возможность функционального блока проведения возбуждения при морфологической целостности нервных волокон. Н. Е. Введенский (1901) показал, что действие различных альтерирующих агентов на нерв вызывает состояние парабиоза, в результате чего нервный импульс не проходит через этот участок нерва. Причиной блока являются специфические расстройства работы ионных каналов мембраны под влиянием альтерирующих агентов. Для создания блока протяженность парабиотического участка должна превысить постоянную длины мембраны, иначе ПД может распространиться через этот участок электротонически. Нарушение физиологической непрерывности нервных волокон можно наблюдать при действии на нерв анестетиков, различных ядов, растворов солей, новокаина, при гипоксии, охлаждении. Временная блокада проведения возбуждения широко применяется в клинической практике.
4.2. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИОЛОГИИ НЕРВОВ ДЕТЕЙ
А. Критерии структурно-функциональной зрелости мякотных и безмякотных нервных волокон. Этими критериями являются увеличение толщины волокон и уменьшение проницаемости клеточной мембраны, что оказывает существенное влияние на свойства нервного волокна. Главный критерий степени зрелости мякотных нервных волокон - их миелинизация, особенно интенсивная к концу антенатального периода. При этом увеличивается расстояние между перехватами Ранвье и изменяется распределение ионных каналов.
У ребенка первых лет жизни при неполной миелинизации нервных волокон распределение Na- и К-каналов в мембране равномерное. После завершения миелинизации каналы концентрируются в области перехватов Ранвье, что обусловлено перераспределением в мембране белковых молекул, являющихся основой каналов. В безмякотных волокнах распределение ионных каналов остается равномерным по всей длине волокна. Филогенетически старые пути миелинизируются раньше, чем филогенетически новые.
Передние спинномозговые корешки у детей достигают состояния, свойственного взрослым, в период от 2-го до 5-го года жизни, а задние - от 5-го до 9-го года. Миелинизация нервных волокон близка к завершению к 9 годам жизни ребенка.
С возрастом в результате созревания нервных волокон их возбудимость, скорость проведения возбуждения и лабильность увеличиваются.
Б. Возбудимость нервных волокон у новорожденного значительно ниже, чем у взрослых, но уже с 3-месячного возраста она начинает повышаться. Величина хронаксии в несколько раз больше, чем у взрослых. Потенциал покоя нервных волокон у детей значительно ниже, чем у взрослых, вследствие большей проницаемости мембраны для ионов. В процессе созревания нервного волокна проницаемость его мембраны снижается, улучшается работа ионных помп, возрастают ПП и ПД, что свидетельствует о функциональной зрелости нервного волокна. Небольшая величина ПД новорожденного сочетается с большой его продолжительностью и часто с отсутствием инверсии. Это объясняется меньшей, чем у взрослых, ионной асимметрией нейронов. Фазовые изменения возбудимости во время возбуждения в раннем постнатальном онтогенезе также имеют свои особенности. В частности, длительность абсолютной рефракторной фазы равна 5-8 мс, а относительной - 40-60 мс (у взрослых - соответственно 0,5-2 и 2-10 мс).
В. Проводимость нерва. У детей проводимость нерва низкая. Так, у новорожденных скорость проведения возбуждения по нервным волокнам не превышает 50% от скорости взрослых. Плохо выражена изолированность проведения возбуждения. С возрастом скорость проведения возбуждения по нервным волокнам возрастает в результате их миелинизации, увеличения толщины волокна и его ПД.
Миелинизация нервных волокон обеспечивает увеличение скорости проведения возбуждения вследствие того, что непрерывное проведение возбуждения сменяется сальтаторным и увеличивается расстояние между перехватами Ранвье (ПД электротонически «перепрыгивает» на большее расстояние). Увеличение толщины безмякотного нервного волокна и еще не покрытого миелином мякотного нервного волокна ведет к ускорению проведения возбуждения вследствие уменьшения продольного сопротивления току ионов в аксоплазме. В свою очередь увеличение мембранного потенциала способствует ускорению проведения возбуждения потому, что большой ПД быстрее вызывает возбуждение соседнего участка волокна. Скорость распространения возбуждения по нервным волокнам у детей становится такой же, как у взрослых, к 5-9 годам, что связано с завершением миелинизации различных волокон в разные сроки и окончанием увеличения диаметров осевых цилиндров.
Г. Лабильность нервного волокна. У детей первых лет жизни лабильность нервного волокна низкая. С возрастом она увеличивается: число ПД, которое способно воспроизвести волокно в 1 с у новорожденных, например, составляет 4-10, а у детей 5-9 лет приближается к норме для взрослых - 300-800 импульсов в секунду.
4.3. ФИЗИОЛОГИЯ СИНАПСОВ ЦНС
Синапс (от греч. synapsis - соединение) - это структура, обеспечивающая передачу возбуждающих или тормозных влияний между двумя возбудимыми клетками. Посредством синапса осуществляются трофические влияния, приводящие к изменению метаболизма иннервируемой клетки, ее структуры и функции.