Электрические явления в тканях

               Следовая гиперполяризация обычно является результатом еще сохраняющейся повышенной проницаемости для К⁺. Характерна для нейронов. Активационные ворота K⁺ - каналов еще не полностью закрыты, K⁺ продолжает выходить из клетки согласно концентрационному градиенту. Na/K - насос непосредственно за фазы ПД не отвечает, хотя он работает непрерывно в покое и продолжает работать во время развития ПД. Возможно, Na/K - насос способствует развитию следовой гиперполяризации.            Длительная гиперполяризация хорошо выражена в тонких немиелинизированных нервных волокнах (болевых афферентах).

              Следовая деполяризация также характерна для нейронов. Возможно, она связана с кратковременным повышением проницаемости мембраны для Na⁺ и входом его в клетку по градиентам.

³Исследования ионных токов

                ⁴Наиболее распространенный метод исследования ионных каналов - это метод фиксации напряжения (voltage - clamp). Мембранный потенциал с помощью подачи электрического напряжения изменяют и фиксируют на определенном уровне. Затем мембрану градуально деполяризуют, что ведет к открытию ионных каналов и возникновению ионных токов, которые могли бы деполяризовать клетку. Однако при этом пропускается электрический ток, равный по величине, но противоположный по знаку, поэтому трансмембранная разность потенциалов не изменяется. Это дает возможность получить величину ионного тока через мембрану.

                 Количественное соотношение между ионными токами по отдельным каналам в покое и во время ПД можно выяснить с помощью метода локальной фиксации потенциала (patch clamp). К мембране подводят микроэлектрод - присоску (внутри него создается разрежение) и, если на этом участке оказывается канал, исследуют ионный ток через него. В остальном методика подобна предыдущей. Таким методом было установлено, что через Na⁺ - каналы может проходить и К⁺, но его ток в 10 - 12 раз меньше. Na⁺также может проходить через К⁺ - каналы в 100 раз менее интенсивно.

                    Резерв в клетке ионов, обеспечивающих возникновение возбуждения, огромен. Концентрационные градиенты ионов в результате одного цикла возбуждения практически не изменяются. Клетка может возбуждаться до 5·10⁵ раз без подзарядки, т. е. без работы Na/K - насоса. Число импульсов, которое генерирует и проводит нервное волокно, зависит от его толщины, определяющей запас ионов.

                Если сила раздражителя, действующего на нервную ткань мала, деполяризация не достигает критического уровня, импульс не возникает. В этом случае ответ ткани на раздражение будет носить форму локального потенциала. Величина такого потенциала вариабельна, она может достигать 10 - 40 мВ. Локальными являются также возбуждающий и тормозной постсинаптические потенциалы, рецепторный и генераторный потенциалы.

Сравнительная характеристика локального потенциала и ПД

              Повышение возбудимости клетки во время локального потенциала объясняется тем, что мембрана оказывается частично деполяризованной. Если КУД остается на постоянном уровне, то для его достижения требуется гораздо меньший раздражитель. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражителя, потому что он возникает вследствие регенеративных процессов.

             Возбудимость клетки во время ПД быстро и сильно изменяется. Различают несколько фаз изменения возбудимости:

1. Кратковременное повышение возбудимости в начале ПД. В зависимости от силы раздражителя может формироваться либо локальный потенциал, либо ПД. Возбудимость повышается потому, что клетка частично деполяризована и ПП приближается к критическому значению. Когда деполяризация достигает 50% от пороговой величины, начинают открываться быстрые потенциал - чувствительные Na⁺ - каналы.

2. Абсолютная рефрактерность - это полная невозбудимость клетки. Соответствует пику ПД и продолжается 1 - 2 мс. Невозбудимость на фазе деполяризации и восходящей стадии инверсии обусловлена тем, что запущен каскад регенеративных реакций, на который повлиять извне уже нельзя: m - ворота Na⁺ - каналов уже открыты, а еще закрытые открываются в ответ на уменьшение мембранного потенциала. В период нисходящей стадии инверсии мембрана невозбудима, т. к. закрываются инактивационные ворота, состояние которых не может изменить даже сильное раздражение. Абсолютная рефрактерность продолжается и в период реполяризации до достижения величины Е_кр ± 10 мВ.

               Абсолютная рефрактерная фаза ограничивает максимальную частоту генерации ПД. Если абсолютная рефрактерность завершается через 2 мс после начала ПД, клетка может возбуждаться с частотой максимум 500 имп/с. Нейроны ретикулярной формации и толстые миелиновые нервные волокна могут генерировать ПД с частотой 1000 имп/с.

3. Относительная рефрактерная фаза - период восстановления возбудимости, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение. Соответствует конечной стадии реполяризации и следовой гиперполяризации. Пониженная возбудимость связана с повышенным транспортом К⁺ из клетки. Поэтому для вызова возбуждения необходимо более сильное раздражение. Кроме того во время гиперполяризации потенциал больше и, следовательно, дальше отстоит от КУД. У нервных волокон относительная рефрактерность длится несколько мс.

4. Фаза экзальтации - это период повышенной возбудимости. Он соответствует следовой деполяризации. В нейронах ЦНС возможна частичная деполяризация вслед за гиперполяризацией. Повышенная возбудимость обусловлена пониженным мембранным потенциалом и повышенной проницаемостью мембраны для Na⁺.

            Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность, или функциональная подвижность. Мерой лабильности является максимальное число ПД, которое может ткань воспроизвести в 1 с. Лабильность нерва равна 500 - 1000, нервно - мышечного синапса около 100 имп/с. При постепенном увеличении частоты ритмического раздражителя лабильность ткани повышается.

             Показателями состояния возбудимости ткани являются пороговый потенциал, пороговая сила, пороговое время.

              Пороговый потенциал (?V) - это минимальная величина, на которую надо уменьшить ПП, чтобы вызвать возбуждение:

?V = Е₀ - Е_кр,

где Е₀ - это потенциал покоя.

              Пороговая сила - это наименьшая сила раздражителя, способная вызвать ПД при неограниченном во времени действии раздражителя. При использовании в качестве раздражителя электрический ток, его пороговая сила равна 1 реобазе. Если возбудимость ткани высока, пороговая сила раздражителя мала.

            Аккомодация - это понижение возбудимости ткани и амплитуды ПД вплоть до полного их исчезновения при медленно нарастающем стимуле. Ее главной причиной является инактивация Na⁺ - каналов, возникающая при медленной деполяризации мембраны - в течение 1 с и более. Клетка теряет возбудимость, если закрывается около 50% инактивационных ворот Na⁺ - каналов.

             Пороговое время - это минимальное время, в течение которого должен действовать на ткань раздражитель пороговой силы, чтобы вызвать ее возбуждение. Хронаксия - наименьшее время, в течение которого должен действовать ток в две реобазы, чтобы вызвать возбуждение.

Проведение нервных  импульсов по нервным волокнам

                 Нервные волокна представляют собой отростки нейронов, с помощью которых осуществляется связь между нейронами, а также с эффекторами. В состав нервного волокна входит осевой цилиндр (нервный отросток) и глиальная оболочка. По взаимоотношению с глиальными клетками выделяют миелиновые и безмиелиновые нервные волокна. Оболочку безмиелиновых волокон образуют шванновские клетки (леммоциты). При этом осевые цилиндры прогибают клеточную оболочку леммоцитов и погружаются в них. Место, где имеется сдвоенная мембрана леммоцита, называется мезаксон. У миелиновых волокон мезаксон удлиняется и спирально закручивается вокруг осевого цилиндра, формируя электроизолирующую миелиновую оболочку. Миелиновая оболочка через равные участки (0,5 - 2 мм) прерывается, образуя, свободные от миелина участки, узловые перехваты Ранвье. Их протяженность находится в пределах 0,25 - 1,0 мкм, в волокнах ЦНС - до 14 мкм. В перехватах возможно формирование ПД, т. к. там есть потенциалзависимые Na⁺ - каналы. В межузловых сегментах таких каналов нет. В безмиелиновых нервных волокнах Na⁺ - каналы расположены равномерно по всей поверхности.

Распространение локальных потенциалов

               Локальный потенциал изменяет ПП в сторону деполяризации в результате входа в клетку Na⁺ согласно электрохимическому градиенту. В результате между деполяризованными и соседними участками волокна формируется градиент, вызывающий передвижение ионов Na⁺ в соседние участки волокна, а ионы на наружной поверхности волокна движутся в противоположном направлении. В итоге поляризация соседнего участка уменьшается.

              Затухание локального потенциала связано с отсутствием потенциалзависимых Na⁺ - каналов или их неактивацией, с продольным сопротивлением цитоплазмы волокна и шунтированием тока во внеклеточную среду через каналы утечки. Деполяризация мембраны, не сопровождающаяся изменением проницаемости потенциалзависимых Na⁺- и К⁺ - каналов, называется электротонической. Она характерна для участков, где такие каналы отсутствуют: большая часть мембраны дендритов, межперехватные промежутки миелиновых волокон. Если электротоническая деполяризация достигает участков с потенциалзависимыми каналами, но его амплитуда не достигает порогового значения, формируется препотенциал, а если достигает - ПД.

                Эффективность электротонического распространения зависит от сопротивления и емкости мембраны, сопротивления цитоплазмы (улучшается при увеличении диаметра волокна, т. е. с уменьшением сопротивления цитоплазмы, а также при миелинизации волокна, т. е. с увеличением сопротивления мембраны и уменьшением ее емкости). Эффективность электротонического распространения характеризуется постоянной длиной мембраны (?m). Это расстояние, на которое может электротонически распространиться биопотенциал, пока его амплитуда не уменьшится до 37% от исходной величины.

Проведение потенциала действия

                В распространении ПД можно выделить два этапа:

- этап электротонического проведения - физический механизм;

- генерация ПД в новом  участке на пути его движения, обусловленная реакцией ионных  каналов.

               В зависимости от расположения и концентрации ионных каналов в мембране возможно два типа проведения ПД: непрерывный и сальтаторный (скачкообразный).

1. Непрерывное распространение ПД осуществляется в безмиелиновых волокнах, имеющих равномерное распределение по поверхности ионных каналов. На расстояние постоянной длины мембраны потенциал распространяется электротонически, а далее формируется новый ПД. Число электротонического распространения невелико из-за того, что равномерно распределенные по поверхности каналы, находятся в непосредственной близости, и все они обязательно возбуждаются при уменьшении мембранного потенциала. Таким образом, непрерывное распространение возбуждения идет через генерацию нервных импульсов по эстафете, когда каждый участок мембраны выступает сначала как раздражаемый, а затем как раздражающий.

2. Сальтаторный тип проведения ПД осуществляется в миелиновых волокнах, в которых потенциалзависимые ионные каналы сконцентрированы только в перехватах Ранвье, где их плотность составляет 12000 на 1 мкм², что в 100 раз выше, чем в мембранах безмиелиновых волокон. В межузловых сегментах возбудимых каналов почти нет, и мембрана практически невозбудима. В этих участках ПД распространяется только электротонически, а по достижении следующего перехвата снова генерируется ПД. ?m миелинового волокна равна 5 мм, поэтому в случае повреждения соседних перехватов ПД может электротонически возбудить 2-й - 4-й, и даже 5-й перехваты. Т. о., сальтаторное проведение возбуждения имеет два важных преимущества: высокая скорость проведения (электротонический транспорт в 10⁷ быстрее непрерывного проведения возбуждения) и энергетически экономично, т. к. снижения концентрационных градиентов после проведения возбуждения меньше, чем в безмиелиновых нервных волокнах.

Синаптическая передача возбуждения

               Синапс - специализированный сигнальный межклеточный контакт, обеспечивающий передачу возбуждающих или тормозных влияний между двумя возбудимыми клетками. Через синапс также осуществляется трофическое влияние, приводящее к изменению метаболизма иннервируемой клетки. Синапс включает в себя пресинаптическую и постсинаптическую мембраны, а также - синаптическую щель.

             Пресинаптическое окончание - расширенное окончание аксона, в котором имеются синаптические пузырьки диаметром 40 нм, содержащие медиатор. В неактивном состоянии везикулы посредством белка синапсина связаны с цитоскелетом. Также в пресинаптическом окончании есть митохондрии, осуществляющие энергообеспечение синаптической передачи, цистерны гладкой ЭПС, в которых депонируется Ca²⁺, а также микротрубочки и микрофиламенты, участвующие во внутриклеточном перемещении везикул. Часть мембраны, ограничивающая синаптическую щель, называется пресинаптической мембраной. Через нее происходит экзоцитоз медиатора в синаптическую щель.

              Синаптическая щель содержит межклеточную жидкость и мукополисахаридное плотное вещество в виде полосок, мостиков, которое обеспечивает связь между пре- и постсинаптическими мембранами и может содержать ферменты, участвующие в метаболизме медиатора.

                Постсинаптическая мембрана - утощенная часть клеточной мембраны иннервируемой клетки, содержащая белковые рецепторы, способные связывать молекулы медиатора.

Механизм синаптической передачи

               Передача осуществляется в два главных этапа.

1. Преобразование электрического сигнала в химический (электросекреторное сопряжение). ПД, поступивший в пресинаптическое окончание, вызывает его деполяризацию, открывающую потенциалзависимые Ca²⁺- каналы. Ионы Ca²⁺ входят в клетку согласно электрохимическому градиенту, что активирует фосфорилирование синапсина и последующее ослабление связи везикул с цитоскелетом. Везикула перемещается к мембране. При контакте с мембраной происходитферментативное «плавление»ее стенки, а также активация белка синаптопорина, формирующего канал, через который происходит выход медиатора в синаптическую щель путем экзоцитоза. Выделение молекул медиатора пропорционально количеству поступившего туда Ca²⁺ в 4-й степени, т. е. имеется усиление сигнала. Выделение медиатора происходит квантами, каждый из которых содержит до 10 тыс. молекул. После поступления в синаптическую щель молекулы медиатора диффундируют к постсинаптической мембране и вступают во взаимодействие с ее рецепторами. Скорость диффузии молекул медиатора позволяет им пройти расстояние синаптической щели в течение 0,1 - 0,2 мс. Длительность действия медиатора на рецепторы равна около 1 мс, что гораздо меньше его периода полураспада. Это значит, что медиатор удаляется из синаптической щели. Удаление происходит путем диффузии в окружающее межклеточное вещество и разрушения эстеразой.