Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Основными структурами, образующими нервную ткань, являются нервные (нейроны или нейроциты), глиальные (глиоциты) клетки, капилляры кровеносной системы. Нейрон - это структурная и функциональная единица нервной системы. Он имеет центральную часть - тело (soma) и протоплазматические отростки. Размеры тела варьируют от 4 до 135 мкм. Разнообразна и его форма. Она может быть круглой, овальной, яйцевидной, веретенообразной, уплощенной или пирамидальной. В центре тела находится ядро (в ганглиях вегетативной нервной системы у клеток несколько ядер). Цитоплазма содержит гранулы вещества Ниссля (тигроидное вещество), тончайшие нити - нейрофиламенты диаметром около 10 нм, микротрубочки диаметром 20 нм, сетчатый аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы, гранулы и капли секрета. В телах нейронов присутствуют пигменты: желто-коричневый (липофусцин) или темно-коричневый (меланин).
Нейрон может иметь один или несколько протоплазматических отростков. В зависимости от их числа различают униполярные (с одним отростком), биполярные (с двумя отростками) и мультиполярные (многоотросчатые) нейроны. Встречаются также псевдоуниполярные нейроны, у которых отходящий от тела клетки отросток делится в дальнейшем на два.
Один (и только один) отросток называется аксоном (от греч. axis "ось"). Он длиннее других отростков (от 1 мм до нескольких десятков сантиметров), древовидно не ветвится, но от него отходят под прямым углом боковые отростки (коллатерали). В конце аксон разветвляется на мелкие веточки (пресинаптические терминали). Количество пресинаптических терминалей варьирует от единиц до нескольких тысяч Диаметр аксона,- 1-20 мкм. Участок сомы нервной клетки, от которой отходит аксон,- аксон-ный холмик, он содержит много филаментов и микротрубочек. Проксимальный участок аксона (начальный сегмент) лишен миелина и покрыт лишь отростками глиальных клеток. Его длина достигает 200 мкм. Дистальный участок аксона покрыт миелином - липоидным веществом, образуемым отростками глиальных клеток (олигодендроцитов) в пределах ЦНС или шванновских клеток. На периферии эти клетки обертывают аксон-спиральными слоями. Миелиновая оболочка периодически прерывается, образуя узкие (1 мкм) перехваты Ранвье. Расстояние между перехватами от 0,2 до 1 мм. Мембрана аксона называется аксолеммой, а его цитоплазма - аксоплазмой. В аксоплазме много нитевидных митохондрий, филаментов, микротрубочек, но нет вещества Ниссля.
Другой тип отростков нервной клетки - дендриты (от лат. dentron "дерево"). Их может быть несколько. Дендриты значительно короче аксона. Они дихотомически ветвятся, а ветви расходятся под острыми углами. Имеют несколько порядков ветвления. Крупные дендриты отличаются от аксона наличием рибосом и вещества Ниссля. В плазме дендритов, как и в аксоплазме, много филаментов, микротрубочек и митохондрий.
Нервных клеток в нервной системе человека более 100 млрд. Каждая нервная клетка связана своими отростками с тысячами других клеток. Число возможных вариантов связей близко к бесконечности, а общая длина отростков - больше 300 тыс. км.
В пределах ЦНС клеток нейроглии может быть в 3-4 раза больше количества нервных клеток. Нейроглию подразделяют на макроглию и микроглию. Макроглия образуется в онтогенезе из клеток стенки медуллярной трубки - спонгиобластов. А микроглия - из мезодермальных клеток - моноцитов, циркулирующих в крови. Они проникают в ЦНС вместе с прорастающими сюда кровеносными сосудами - капиллярами. Клетки микроглии значительно меньше макроглиальных по размерам. Они составляют около 5% от общего числа глиальных клеток. Клетки микроглии выполняют фагоцитарную функцию при ранении или воспалении ЦНС.
Клетки макроглии подразделяются на эпендимоциты, астро-циты и олигодендроциты.
Эпендимоциты выстилают и ограничивают полость мозговой трубки и образуют эпендиму (от лат. ependima "одежда").
Астроциты (от лат. astron "звезда") - крупные клетки с мнр-гочисленными отростками. Одни отростки доходят до капилляров, другие - до поверхности нейронов. В месте контакта отростки расширяются и распластываются на поверхности капилляра или нейрона, образуя астроцитарную ножку. Считают, что таким образом астроциты выполняют опорную (удержание нейронов в определенном месте) и трофическую (транспорт веществ от капилляра к нейрону и обратно) функции. Астроциты подразделяют на фибриллярные и протоплазматические. Фибриллярные астроциты находятся в белом веществе ЦНС и имеют длинные, прямые, слабоветвящиеся отростки. Протоплазматические астроциты обнаружены в сером веществе ЦНС и имеют сильноветвящиеся короткие отростки.
Олигодендроциты мельче астроцитов. Их обнаруживают как в сером, так и в белом веществе ЦНС: в первом они плотно прилегают к телам нейронов, а во втором располагаются рядами и группами. Олигодендроциты (от лат. aligos "малый", dendron "дерево") имеют мало древовидно ветвящихся отростков. В ЦНС имеется три класса олигодендроцитов: 1) крупные светлые; 2) мелкие темные и 3) промежуточной величины и плотности. Оказалось, что это разные стадии развития олигодендроцитов.
Неделящиеся светлые олигодендроциты образуются в результате митотического деления олигодендробластов. Через несколько недель они превращаются в промежуточные и затем еще через некоторое время - в темные. Поэтому у взрослого организма встречаются, в основном, лишь темные олигодендроциты. Объем темного олигодендроцита составляет лишь 1/4 светлого. После окончания роста организма митотическое деление олигодендробластов резко замедляется, но не прекращается полностью. Следовательно, популяция олигодендроцитов может, хотя и медленно, обновляться и у взрослого.
Олигодендроциты своими отростками изолируют отростки нервных клеток, покрывая их миелином (один олигодендроцит способен изолировать несколько волокон), а также питают нейроны, контактируя своими отростками с капиллярами. Капилляры, снабжающие кровью нейроны и глиальные клетки, берут начало от артериальных сосудов вблизи поверхности мозга. Мелкие артерии (артериолы) из мозговых оболочек проникают в ткань мозга и делятся там на многочисленные капилляры.
На срезах ЦНС видны участки серого и белого цветов. Это серое и белое вещества мозга. Серое вещество образовано телами нейронов, безмякотными и тонкими мякотными волокнами, клетками глии и капиллярами: оно или в центре (в спинном мозге), или на поверхности в виде тонкой коры (cortex) больших полушарий и мозжечка, или в виде скоплений серого веществу - ядер (nucleus) в стволе мозга и его подкорковом отделе. Тела нейронов в сером веществе переплетены клеточными телами и отростками астроцитов и нейронов (дендритов и слабомиелинизиро-ванных аксонов), идущими к нейрону и от него. Такую густую сеть отростков называют нейропилем (от лат. pilos "войлок").
Различают три типа организации нейронов в сером веществе: сетевидный, ядерный и корковый. Сетевидный тип характерен для строения ретикулярной формации (РФ) ЦНС. РФ - это центрально расположенный диффузный столб нейронов, тянущийся от верхних отделов спинного мозга до конца мозгового ствола. Нейроны РФ имеют длинные, прямые, слабоветвящиеся дендриты, а их аксоны рассеяны и не объединяются в пучки. Ядерному типу присущи густые скопления нейронов с густоветвящимися дендритами, аксоны же этих клеток объединяются в пучки. Корковый тип отличается послойным распределением нейронов, слоистостью (так организована кора больших полушарий и мозжечка).
Белое вещество ЦНС состоит из длинных, покрытых белым миэлином, аксонов клеток и нейроглии. Тела этих клеток лежат в сером веществе или в ганглиях вне ЦНС. Будучи проводящей системой мозга, белое вещество осуществляет двусторонние связи между различными участками мозга, создавая таким образом ЦНС. В проводящих путях мозга волокна нервных клеток объединяются в пучки.
Периферическая нервная система представлена аксонами нервных клеток (осевыми цилиндрами), которые либо покрыты неврилеммой шванновских клеток (безмякотные волокна), либо между неврилеммой и осевым цилиндром имеется многослойная миэлиновая оболочка (мякотные волокна). Мякотные и безмякотные волокна объединяются в пучки, ограниченные трубчатой соединительно-тканной оболочкой - периневрием. Внутри периневральной трубки каждое нервное волокно окружает рыхлая соединительная ткань (эндоневрий). Пучки волокон, покрытые оболочкой, называют нервами. Часто пучки переходят в более толстые образования - нервные стволы, в которых несколько пучков окружены рыхлой соединительной тканью - эпиневрием.
Нейроны соединяются между собой несколькими способами. Наиболее примитивным и древним является протоплазматический способ, когда отросток одной нервной клетки переходит в отросток другой клетки. Если нервные клетки контактируют между собой немиэлинизированными участками сомы или отростков и появляется возможность электротонического взаимодействия, соединение называют эфаптическим. Третий способ соединения между нейронами, а также нейрона с клетками, не принадлежащими к нервной системе (мышечными, желудочными),- синаптический - наиболее сложный. Он предполагает наличие специального структурного образования синапса. Синапс состоит из окончания пресинаптического нейрона, постсинаптической структуры и синаптической щели между ними. Пресинаптические терминали аксона расширяются, образуя концевую "пуговку" ("бляшку"), окруженную аксолеммой. Ее участок, почти вплотную прилегающий к постсинаптической мембране другой клетки, называется пресинаптической мембраной. В цитоплазме синаптической бляшки много митохондрий и синаптических пузырьков (везикул) диаметром 40-50 нм.
Ширина синаптической щели в химических синапсах - 20- 30 нм, а в электрических - 2-4 нм. Синапсы классифицируют по их расположению на поверхности постсинаптического нейрона. Если аксон оканчивается на дендрите другого нейрона, это аксо-дендритный синапс (часто синаптическая бляшка как бы "надевается" на специальные выступы - дендритные шипики), если же на соме другого нейрона, это аксосоматический синапс (около половины поверхности сомы и почти вся поверхность дендритов может быть усеяна контактами от других нейронов). Аксон образует иногда синапсы в своей проксимальной части, лишенной миэлина, либо на синаптической бляшке другого нейрона. Такие синапсы являются аксоаксонными. Реже встречаются синапсы между дендритами (дендродендритные) и между дендритными шипиками и телом другого нейрона (дендросоматические). В окончаниях периферических нервов на мышцах имеются нервно-мышечные (мионевральные) синапсы, на железах - нейросекреторные, а на внутренних органах - органные синапсы. Аксоваскулярные синапсы наблюдают между нейросекреторными клетками гипоталамуса и стенками капилляров.
3.1. Мембранный потенциал покояУ всех исследованных физиологами клеток животных и растений поверхностная мембрана в покое электрически поляризована. В этом можно убедиться, введя внутрь клетки микроэлектрод, соединенный с электрорегистрирующей установкой. Как только кончик микроэлектрода попадает внутрь клетки, он мгновенно (скачком) приобретает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости Величина разности этих потенциалов у нервных клеток и волокон, например гигантских нервных волокон кальмара, составляет около - 70 мВ. Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков. Если кончик микроэлектрода выводят из клетки возвратным движением или прокалывая клетку насквозь, то разность потенциалов между электродами скачкообразно исчезает. Если кончик микроэлектрода недостаточно тонок, то он входит и выходит из клетки постепенно, давит и тянет за собой ткань, повреждая клетку, это "смазывает" броски потенциала и снижает величину МПП .Заметим, что здесь и дальше снижением мембранного потенциала мы будем называть уменьшение внутриклеточной негативности, вообще смещение внутриклеточного потенциала в позитивную сторону. Связь МПП с поляризацией мембраны клетки доказывается, например, классическим опытом Бейкера, Ходжкина и Шоу с удалением аксоплазмы из гигантского аксона кальмара (диаметр аксона около 1 мм). Лишенный аксоплазмы аксон при его перфузии солевым раствором, сходным по ионному составу с аксоплазмой, демонстрирует примерно такие же скачки потенциала, т. е. такой же МПП, как и нормальный аксон. Природа поляризации клеточной мембраны сегодня в основном определена. Чтобы ее понять, необходимо рассмотреть некоторые свойства самой мембраны, а также ионный состав внеклеточной среды и внутриклеточной жидкости. Мембрана аксона кальмара (и всех других клеток)-это очень тонкая, но достаточно прочная оболочка. Согласно электронно-микроскопическим данным ее толщина 5-10 нм (50-100 А). Известно, что мембрана состоит из липидов, белков и мукополисахаридов. Бимолекулярный слой липидов составляет матрикс мембраны. Белки, вкрапленные в липидный матрикс, образуют каналы для воды и ионов, формируют ионные насосы и т. п. (рис.3.1). Рис.3. 1. Упрощенные схемы строения плазматической мембраны и ее механизмов, ответственных за формирование потенциала покоя и потенциала действия. а - схема строения и б - эквивалентная электрическая схема мембран; в - схема работы ионного насоса. 1 - билипидный матрикс, 2- белковые молекулы; 3 - открытые катионные каналы. Мукополисахариды, располагаясь на поверхности мембраны, осуществляют рецепторные функции. Заметим, что мембрана постепенно расходуется клеткой (при экзоцитозе и эндоцитозе) и постоянно обновляется. При этом ее качества могут несколько меняться в зависимости от изменения программы соответствующих синтетических процессов. Мембрана обладает значительными электрическим сопротивлением и емкостью. У аксона кальмара сопротивление мембраны (RM) составляет в покое ∼ 1000 Ом • см2, а емкость (См) - 1 мкФ/см2. Емкость мембраны, которая задается в основном ее липидным матриксом, довольно постоянна. Сопротивление же мембраны проходящему току сильно зависит от состояния ее ионных каналов. Мембрана проницаема для жирорастворимых веществ, молекулы которых проникают через липидный матрикс. Крупные водорастворимые молекулы, в том числе анионы органических кислот, по существу, совсем не проходят через мембрану (они могут покидать клетку лишь путем экзоцитоза). В то же время в мембране нервного волокна имеются каналы, проницаемые для воды, для молекул водорастворимых веществ и для ионов. Особый интерес для электрофизиологии представляют каналы для ионов. Среди них имеются неспецифические каналы ионной "утечки", каждый из которых проницаем для К, Na+ и С1-(больше всего для К+). Эти каналы не имеют воротных механизмов, они всегда открыты и почти не меняют своего состояния при электрических воздействиях на мембрану. Кроме того, в мембране нервного волокна присутствуют специальные натриевые и калиевые каналы, т. е. каналы, избирательно (селективно) пропускающие только Na+ или только К+- Эти каналы обладают воротными механизмами и могут быть открытыми или закрытыми. В покое у нервных волокон практически все натриевые каналы мембраны закрыты, а большое число калиевых открыто. Определенное состояние ионных каналов мембраны (закрытое у натриевых, открытое у значительной части калиевых) очень важно для генерации МПП нервного волокна. Вторым важным для формирования МПП условием является различие ионных составов аксоплазмы и внешней среды, создаваемое непрерывной работой ионных насосов мембраны . Таблица 3.1. Ионный состав (мМ на кг воды) аксоплазмы и внешней среды гигантского аксона кальмара Ионы Аксоплазма Кровь Морская вода K๋+ 400 20 10 Na๋+ 50 440 460 С1- 401-150 560 540 Са2+ 0,4 10 10 Mg2+ 10 54 53 Изотионовая кислота 250 - - Аспарагиновая кислота 75 - - Глутаминовая кислота 12 - - Янтарная и фумаровая кислоты 17 - - АТФ 0,7 1,7 Аргининфосфат 1,3-5,7 Н20 865 870 966 В таблице 3.1 сопоставлены ионные составы аксоплазмы гигантского аксона и крови у кальмара. Различия в этих составах постоянны и в основном сводятся к тому, что в аксоплазме по сравнению с кровью меньше Na+, больше К+ и несравненно больше органических анионов Последние, как уже говорилось, не могут просочиться через неповрежденную мембрану наружу. Что касается катионных различий, то они являются результатом работы так называемого натрий-калиевого насоса мембраны, непрерывно откачивающего Na+ из клетки в обмен на К+ (с использованием энергии АТФ). Заметим, что такой перенос ионов против градиентов их концентраций называют активным ионным транспортом в отличие от пассивного транспорта ионов, идущего по электрохимическим градиентам. Поляризация мембраны при открытых калиевых каналах, т. е. при высокой калиевой проницаемости мембраны (Рк) и при наличии большого трансмембранного градиента концентраций К+ объясняется прежде всего тем, что имеется некоторая, хотя и очень небольшая, утечка внутриклеточного К+ в среду. Эта утечка и создает разность электрических потенциалов между средой и аксоплазмой. Заметим, что вход Na+ в клетку или выход из нее органических анионов, что могло бы компенсировать нарушения электронейтральности от потери К+, исключены свойствами покоящейся мембраны. В этой ситуации на мембране создается двойной электрический слой (снаружи катионы, главным образом Na+, внутри - анионы, главным образом органических кислот), препятствующий дальнейшему выходу К+ (рис.3.2). Рис.3.2. Возникновение электрохимического равновесия на полупроницаемой мембране. Диффузионное давление (1) в равновесии с противоположной электростатической силой (2), стремящейся удержать вместе ионы с противоположными зарядами (по С.Немечек, 1978). Перемещение К+ из клетки наружу при отсутствии МП осуществляется по концентрационному градиенту этого иона, совершающему "осмотическую" работу. В силу возникающего мембранного потенциала ионы К+ возвращаются в клетку, т. е. совершается "электрическая работа": Aэл.= QE=nFE, где Q - количество электричества, n - валентность, F - число Фарадея, заряд моля одновалентных ионов (96500 Кл/гр • экв), Е - потенциал. По мере выхода ионов К+ растет Аэл. и несколько падает Аосм, в итоге достигается Е на мембране, при котором Аэл = Аосм.. Для иона К+, т. е. калиевый равновесный потенциал в упрощенной форме: E=58 lg [K]н/ [K]в (формула Нернста). Разность между текущим значением МП и Ек называют электрохимическим градиентом для К+. Электрохимический градиент - причина пассивного движения К+ (и любого другого иона) через мембрану в естественных условиях. МПП гигантского аксона кальмара ( - 70 мВ) близок к его Ек ( - 75 мВ), но не равен ему, ибо МПП здесь формирует утечка и других ионов: Na+, Cl-. При этом поступление С1-в аксон, (Еcl> - 70 мВ) повышает, a Na+ понижает МПП (ENa=+55MB). Итоговая величина Ем, создаваемого утечкой многих ионов, может быть достаточно точно рассчитана по формуле Гольдмана: где Р - проницаемость мембраны для соответствующих ионов. Ее часто выражают в относительных величинах, принимая PK+ за 1. Для мембраны аксона кальмара в покое отношение PK: PNa : Рcl= 1 : 0,04 : 0,45 Рассмотренный ионный механизм формирует так называемый концентрационный потенциал (Еконц.) - основную часть реального МПП. В перфузируемом чистым солевым раствором гигантском аксоне кальмара это, по существу, единственный механизм формирования МПП. Но в естественных условиях в образовании МПП участвует еще один, добавочный механизм. Это так называемый прямой электрогенный эффект натрий-калиевого насоса. Напомним, что этот ионный насос работает, потребляя энергию АТФ, и его основным компонентом является мембранная К - Na-АТФаза. В норме АТФ к насосу поступает из аксональных митохондрий. Поэтому в лишенном аксоплазмы перфузируемом аксоне насос работает только при добавлении к перфузату АТФ. Для его работы, кроме того, требуется наличие в среде ионов К+, а внутри волокна - ионов Na+. Дело в том, что макромолекула насоса осуществляет свое рабочее движение - конформацию лишь в случае присоединения к ней снаружи ионов К+, а изнутри клетки - ионов Na+ . Насос не работает в бескалиевых средах и при потере внутриклеточного Na+. Прямой электрогенный эффект насоса (который следует отличать от косвенного, т. е. от участия насоса в создании концентрационных градиентов) состоит в дополнительной поляризации мембраны, получающейся при неравенстве числа (q) ионов Na+ и К+, переносимых в каждом цикле работы насоса. Только если эти числа равны, насос работает электронейтрально.У гигантского аксона кальмара Rм относительно мало и поэтому Енас тоже невелико (1 мВ). В некоторых нервных клетках моллюсков, где Rм велико (мегаомы) - Енлс достигает десятка мВ. Енас может быть быстро устранен блокадой мембранной Na - К-АТФазы с помощью сердечных гликозидов (уабаин и др.) или за счет снижения температуры до 5° С, наконец, за счет нарушения выработки АТФ (при действии динитрофенола и цианидов). Eконц. при этом не исчезает, а падает достаточно медленно по мере потери ионных градиентов на мембране из-за утечки Na+ и других ионов. Таким образом, реальный МПП складывается из Еконц и Eнас. В миелинизированных нервных волокнах у позвоночных потенциал покоя мембраны перехвата Ранвье составляет около 70 мВ. Его концентрационный компонент имеет в основном калиевую природу, как и в аксоне кальмара. Ионы С1- в его формировании принимают незначительное участие. Электрогенный эффект ионного насоса в нормальной среде здесь близок к нулю. И только при повышенной концентрации К+ снаружи [К]н этот эффект усиливается настолько, что может достигнуть 3 - 4 мВ. Последнее достигается за счет резкого усиления насосного тока. Мембранный потенциал покоя в самой мембране проявляется как электрическое поле значительной напряженности (∼105В/ см). Это поле воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенную пространственную ориентацию. Особенно важно то, что электрическое поле МПП обеспечивает закрытое состояние так называемых активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим обеспечивается состояние покоя и готовности к возбуждению. Даже относительно небольшой сброс мембранного потенциала (частичная деполяризация) открывает активационные ворота этих каналов и выводит клетку из состояния покоя, дает начало возбуждению. При возбуждении, конечно, используется электрическая энергия, накопленная в МПП. В плазматической мембране нервных и мышечных клеток роль МПП, по-видимому, исчерпывается сказанным. Однако для некоторых других мембран, например внутренней мембраны митохондрии, очевидно участие МПП в энергетических процессах - сопряжении дыхания и фосфорилирования. МПП (∼+200мВ) здесь создается в ходе биологического окисления и связан с возникновением градиента Н+-ионов . Все агенты, переносящие положительные заряды внутрь митохондрии, снижают ее МПП и разобщают дыхание и фосфорилирование. В заключение остановимся на понятии собственного электрического потенциала мембраны. Под последним подразумевают потенциал поверхностей мембраны относительно ее внутренних частей (∼30м В). Этот потенциал имеет отрицательный знак - на поверхностях и положительный внутри мембраны. Он определяется наличием выступающих наружу отрицательно заряженных групп (типа СОО-) у многих молекул, формирующих мембрану. Величина этого потенциала определяет способность поверхностей мембраны связывать катионы, в частности. Са2+, что существенно для работы воротных и других ее механизмов. Собственный потенциал мембраны, поскольку он одинаков у обеих сторон мембраны, не входит в МПП. |
|
Биолого-химический факультет УдГУ |
Powered by swift.engine.edu |
3.2. Потенциал и трансмембранные токи при возбужденииПотенциал действия (ПД) - это электрический компонент возбуждения нервных и большинства мышечных клеток (волокон). ПД возникает в ответ на достаточное по силе раздражение. ПД - очень быстрый, кратковременный электрический процесс. Поэтому для его регистрации необходим катодный осциллограф с широкополосным усилителем. Классическое исследование параметров и механизма ПД проделано в работах Ходжкина и Хаксли на гигантском аксоне кальмара с отведением внутриклеточного потенциала и внутриклеточным раздражением. В это нервное волокно (диаметр d волокна 0,5-1 мм) вводили два тончайших коаксиальных проволочных электрода, один из которых регистрировал электрический потенциал относительно внешнего электрода, другой - был раздражающим: через него в волокно подавались толчки тока того или иного направления (рис.3.3 ). При подаче короткого и слабого толчка выходящего тока (направление его определяется для положительных зарядов) внутриклеточный электрод регистрировал кратковременное падение мембранного потенциала (МП), по форме и по силе соответствующего толчку тока, но со сглаженными передним и задним фронтами (сглаженность фронтов определяется емкостью мембраны). Это так называемый электротонический потенциал (ЭП) При подаче несколько более сильного толчка выходящего тока к электротоническому потенциалу присоединяется дополнительная деполяризация, называемая подпо-роговым или "локальным" ответом (ЛО). Локальным он называется потому, что и в этих и в естественных условиях не распространяется. А если стимул еще усиливается и достигается критический уровень деполяризации (КУД), то возникает потенциал действия (рис. ). При толчке входящего тока любой силы получается только электротонический потенциал. В потенциале действия (ПД) различают пик (спайк) и следовые потенциалы. Рис.3.3. Схемы методик, применяемых на различных нервных волокнах для исследования их электрогенеза a - внутриклеточное раздражение и отведение потенциалов гигантского аксона кальмара при коаксиальном введении электродов . б - раздражение и отведение потенциалов от одиночного перехвата Ранвье, изолированного двумя воздушными промежутками ("мостиками"). Пик ПД представляет собой кратковременную инверсию внутриклеточного потенциала. Он имеет очень быструю S-образную восходящую фазу и несколько более медленный спад. Общая длительность пика в данном объекте приблизительно равна 3 мс. Амплитуда пика ∼110 мВ, т. е. она превышает МПП (-70 мВ) на 40 мВ. Эта разница называется овершутом ("перелетом"). Вслед за пиком ПД регистрируются значительно более слабые и длительные отрицательный и далее положительный следовой потенциалы (рис.3.4 ). ПД имеет стандартные параметры, не зависящие от силы вызвавшего ПД стимула. Рис.3.4. Схема регистрации основных электрофизиологических феноменов в нервном волокне. МП - мембранный потенциал покоя, ПД - потенциал действия, ЛО - локальный ответ, КУД - критический уровень деполяризации, СН - следовая негативность, СП - следовая позитивность, АЭТ - анэлектротонический потенциал, КЭТ - катэлектротонический потенциал. При раздражении гигантского нервного волокна выходящим током через коаксиальный электрод все точки этого нервного проводника раздражаются практически равномерно, и в них одновременно возникает и развивается ПД. Такой ПД, по существу, не распространяется и называется "мембранным". В естественных условиях ПД лишь возникает локально, а затем распространяется (проводится) вдоль волокна. Это распространяющийся ПД. Мембранный ПД несколько проще распространяющегося, что делает его более удобным для анализа. Заметим, что в миелинизированных волокнах мембранный ПД получают при работе на изолированном одиночном перехвате Ранвье. Какова природа потенциала действия? Прежде всего ПД - это электрический феномен, возникающий на плазматической мембране и в связи с ее активностью. Бейкер, Шоу, Ходжкин показали, что практически нормальный ПД возникает и в перфузируемом гигантском аксоне, лишенном аксоплазмы, при электрической стимуляции его мембраны. Причиной развития ПД является вызываемое электростимуляцией, точнее критической деполяризацией мембраны, открытие потенциалозависимых каналов в мембране. Уже в 1939 г. Кол и Кэртис нашли, что при развитии ПД резко снижается поперечный импеданс аксона кальмара за счет падения его RM (с 1000 до 25 Ом • см2) при неизменной См. Как показали последующие исследования это связано с открытием потенциалозависимых натриевых и калиевых каналов. Заметим, что участвующие в формировании МПП каналы утечки потенциалонезависимы. Открытие потенциалозависимых каналов приводит к пассивному движению соответствующих ионов по их электрохимическим градиентам. Причем вход ионов натрия в волокно обеспечивает восходящую фазу пика ПД, деполяризацию и инверсию потенциала на мембране, а несколько запаздывающий выход ионов калия участвует в создании нисходящей фазы пика, реполяризации. При развитии пика ПД отношение Рк: PNА: PCI становится равным 1 : 20 : 0,45 (в покое оно = 1 : 0,04:0,45). Связь развития пика ПД с током Na+ доказывается следующими обстоятельствами: 1) прямой зависимостью амплитуды ПД от электрохимического градиента Na+ на мембране, 2) достоверным переходом меченого 24Na из среды в волокно при его возбуждении, причем в количестве, пропорциональном числу ПД. Связь нисходящей фазы ПД с током К+ доказывается зависимостью хода этой фазы от электрохимического градиента К+ на мембране. Подробный анализ изменений мембранной проницаемости для ионов Na+ и К+, основанный на измерениях токов этих ионов, стал возможным благодаря использованию методики фиксации ("кламп") электрического потенциала мембраны, примененной впервые Колом, Мармонтом (1949). Заметим, что мембранные токи (при данных концентрационных градиентах) зависят и от ионной проницаемости) и от мембранного потенциала .Поэтому мембранные токи могут точно характеризовать изменения Р только при МП = = const. Методика фиксации мембранного потенциала состоит в следующем. Мембрана гигантского волокна (или какой-либо иной клетки) с помощью внутриклеточного и наружного электродов соединяется с электронной схемой. Основной частью этой схемы является дифференциальный усилитель, сравнивающий МП с задаваемым от постороннего источника потенциалом Е. Ток (I) на выходе усилителя определяется по направлению и по величине разностью Е-МП, подаваемой на вход. Этот ток (/) протекает через мембрану и создает на ней дополнительный скачок потенциала, уменьшающий абсолютную величину раз-ности Е-МП. При большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя и малой величине R в цепи, подводящей ток, компенсирующий скачок потенциала на мембране может быть весьма приближен по величине к разности Е-МП и таким образом, в итоге МП может стать приблизительно равным Е. В этой ситуации при достаточном быстродействии системы (при τ<20 мкс) любое, даже слабое, случайное смещение МП немедленно компенсируется. Таким образом, МП фиксируется на величине Е и вместе с тем управляется путем изменения этой величины Е. Методика фиксации потенциала на мембране исключает любые смещения МП, в том числе потенциалы действия. Но она позволяет регистрировать и исследовать трансмембранные токи, возникающие при искусственном изменении МП (Е). Если фиксированный МП равен потенциалу покоя, то трансмембранного тока практически нет. Если МП скачкообразно повышают, то возникают только направленный внутрь очень краткий емкостный ток и за ним постоянный ток утечки полиионной, в основном калиевой природы. Но если МП скачком снижают, то вслед за током разряда мембранной емкости, на фоне тока утечки, направленного наружу, возникает дополнительно-краткий (так называемый "быстрый") ток внутрь и за ним более длительный (так называемый "медленный" ток) наружу. Последние два тока-это ионные токи, текущие через натриевые и калиевые каналы, открываемые деполяризацией. Если устранить натриевый градиент на мембране путем замены части Na+ на холин, или довести МП до величины, равной ENа, то картина преобразуется: исчезает быстрый, внутрь направленный ток, но зато выявляется в неосложненном виде медленный ток, направленный наружу. Того же можно добиться специфической блокадой натриевых каналов, применив тетродотоксин (ТТХ). Таким образом, быстрый внутрь направленный ток - это натриевый ток. Картина его развития может быть получена путем геометрического вычитания медленного ионного тока из суммарного. Медленный (иначе "задержанный") ионный ток - это калиевый ток, его сила пропорциональна калиевому электрохимическому градиенту и PK. Сейчас установлено, что этот ток устраняется блокадой калиевых каналов тетраэтиламмонием (ТЭА), прилагаемым снаружи, и ионами цезия (Cs+) изнутри. Быстрый входящий INa и более медленный выходящий Iк начинаются в общем одновременно, но INa быстрее развивается, достигает своего "потолка". Заметим, что если Е (МП) возвращается к величине, характерной для покоя, то натриевый ток исчезает примерно в 10 раз быстрее, чем калиевый. Иначе говоря, в массе натриевые каналы мембраны и активируются (деполяризацией), и деактивируются (реполяризацией) быстрее, чем калиевые каналы. Заметим, что активация каналов определяется открытием их активационных ворот, а деактивизация закрытием этих же ворот (рис.3.5 ). Возвращаясь к картине развития INa и IK при длительной деполяризации (рис. ) в условиях клампа, обратим внимание на то, что INa уже через 5 мсек исчезает, несмотря на деполяризованное состояние мембраны (IK при этом сохраняется). Этот феномен называют инактивацией натриевых каналов. Его связывают с закрытием специальных инактивационных ворот в натриевых каналах. Схема срабатывания активационных ворот натриевых каналов (m-ворот), а также их инактивационных ворот (h-ворот) при разных МП дана на рис. . Инактивация натриевых каналов развивается из-за деполяризации, т. е., по-видимому, по той же причине, что и активация, но позже, что и делает возможным INa (а значит, и ПД в естественных условиях). Инактивация РNа - это очень важный механизм, способствующий прекращению пика ПД, лежащий в основе невозбудимости - рефрактерности после возбуждения (рефрактерная фаза), катодической депрессии и парабиотического состояния нервной (мышечной) клетки, связанного с деполяризацией. Заметим, что инактивация Na-каналов после реполяризации мембраны проходит. Инактивация калиевых каналов в данном объекте развивается очень медленно. Рис.3.5. Схема работы ворот потенциалозависимых натриевых каналов нервной мембраны. а - зависимость процента открытых инактивационных (h) и активационных (τ) ворот от мембранного потенциала, б - схематическое изображение положений τ и h - ворот при покое (1), развитии пика ПД (2) и в рефрактерной фазе (3). Теперь обратимся к характеристике натуральных ионных токов, лежащих в основе пика ПД. Эти ионные токи в общем сходны с получаемыми при критической деполяризации в методике клампа, но развиваются и прекращаются они гораздо быстрее. Дело в том, что развитие ПД - это сильное изменение МП, которое влияет на трансмембранные ионные токи. В то же время эти ионные токи влияют на МП. В процессе развития ПД действуют многие факторы , связанные прямыми и обратными связями. Например, на восходящей фазе ПД действует система факторов с положительной обратной связью: Здесь деполяризация увеличивает РNа , а последняя порождает INa, усиливающий деполяризацию (пока и поскольку INa больше Iк+I утечки). В силу этих отношений INa в ПД и восходящая фаза самого ПД развивается быстро, с ускорением, а амплитуда ПД всегда достигает некоторого максимума, более или менее приближенного к ENa (в зависимости от степени компенсации натриевого тока токами К+ и утечки). На спаде ПД при реполяризации для INa действует та же система факторов, но с обратными знаками эффектов. А для калиевого тока действует система факторов с отрицательной обратной связью: В итоге спад Iк несколько затягивается. Если скрупулезно учесть все эти факторы и их взаимодействие, то можно из величин токов, получаемых при фиксации мембранного потенциала на разных уровнях, рассчитать форму нормального ПД, что и сделали А. Хаксли и А. Ходжкин. Было показано совпадение расчетных параметров ПД и параметров ПД, регистрируемых в опыте. Расход ионов на пик одного проводящегося ПД даже в гигантском аксоне кальмара очень мал. Например, расход внутриаксонального К при этом приблизительно равен 1-й миллионной доле внутреннего калиевого запаса. Таким образом, пик ПД - весьма экономичный сигнал, практически не нарушающий ионных градиентов на мембране, энергией которых он питается. Ионные градиенты на мембране - это "пружина", энергии которой может хватить на 5 • 105 ПД без подзарядки. Но для длительной работы волокна ионные градиенты нужно восстанавливать, что и обеспечивает работа натрий-калиевого насоса мембраны. Несколько слов о механизме подпорогового локального ответа (ЛО) в нервном волокне. Этот ответ имеет в общем тот же механизм, что и ПД. Его восходящая фаза определяется входящим током Na+, а нисходящая - выходящим калиевым током. Но амплитуда ЛО (и его натриевый ток Na) пропорциональна силе подпорогового раздражения, а не стандартна, как у ПД, т. е. не подчиняется правилу "все или ничего". ЛО не вызывает абсолютной рефрактерности, хотя обнаруживает относительную рефрактерность из-за инактивации части натриевых каналов. Необходимо остановиться на некоторых особенностях потенциалов действия в телах нейронов моллюсков. Тела гигантских нейронов брюхоногих моллюсков - это крупные образования, не имеющие на себе синапсов. У этих нейронов синапсы находятся на так называемом центральном отростке. Большие размеры и однородность поверхности позволяют исследовать тела этих нейронов с применением самых точных современных электрофизиологических методов. Так, с помощью двух или большего числа микроэлектродов, вводимых в эти клетки, производят электрическое раздражение клетки, регистрируют ее МПП и ПД, исследуют Rм, Сτ; производят фиксацию мембранного потенциала и на этом фоне изучают трансмембранные токи, лежащие в основе возбуждения. В лаборатории П. Г. Костюка разработан метод внутриклеточного диализа одиночной гигантской нервной клетки. Он состоит в следующем: механически изолированную гигантскую нервную клетку помещают в соответствующем солевом растворе в камеру с плоскими стенками, на дне которой имеется коническая пора; ее широкая часть (обращенная в этот сосуд) может пропустить клетку, а узкая нет. Стенки поры покрыты клейкой массой. Под камерой, содержащей клетку, находится другая аналогичная камера (с тем же солевым раствором), имеющая сообщение с первой только через упомянутую коническую пору. Клетку подводят к поре и "засасывают" в нее, понижая гидростатическое давление в нижнем сосуде. При этом части клетки, вошедшие в пору, прилипают к ее стенкам. Часть клетки, выступающая в нижнюю камеру, разрушается пропусканием через нижнюю камеру безкальциевого раствора. После этого гидростатическое давление в нижней камере и среду в ней возвращают к норме. В итоге получается препарат соматической мембраны, омываемой снаружи жидкостью верхней камеры, а изнутри жидкостью нижней камеры. Внутриклеточные структуры при этом вымываются. На этом препарате соматической мембраны при его электрическом раздражении, как показали опыты, могут быть получены полноценные ПД. Удалось осуществить кламп потенциала такой мембраны, изучить трансмембранные токи при ее активации, а при уменьшении площади препарата даже получить характеристики токов отдельных мембранных каналов. МПП сомы невелик (-40------50 мВ) и имеет механизм, в общем сходный с известным для аксонов. ПД имеет овершут и достигает 100 и более милливольт (мВ). По форме он схож с аксонным. Но ионные механизмы ПД мембраны сомы нейрона моллюска имеют существенные отличия от известных для нервных волокон. Главное отличие состоит в том, что ПД здесь генерируется не только за счет входящего натриевого тока (как в аксоне), но и за счет входящего кальциевого тока. В соматической мембране имеются сходные с натриевыми, но независимые от них специальные кальциевые каналы, открываемые деполяризацией. Ток Са2+ через них осуществляется по электрохимическому градиенту. Эти каналы не блокируются тетро-дотоксином (ТТХ), но блокируются кобальтом, верапамилом и препаратом Д-600. Кальциевый ток развивается медленнее натриевого и гораздо медленнее инактивируется (много секунд!). В соматической мембране нейрона моллюсков обнаружены, кроме того, особые "быстрые" потенциалозависимые калиевые каналы (очень быстро активирующиеся и инактивирующиеся). Эти каналы почти не участвуют в формировании МПП и ПД, ибо они уже инактивированы при МП = 70 мВ, т. е. при МПП. Но эти каналы принимают участие в регулировке МП на фоне следовой гиперполяризации, тем самым определяя в какой-то мере частоту ритмического разряда в ответ на то или иное воздействие. Калиевые каналы, участвующие в ПД, т. е. каналы "задержанного" выходящего тока, здесь также имеют особенность - они инактивируются быстрее, чем в аксоне. За счет этого у соматических ПД, следующих ритмически, прогрессивно удлиняются нисходящие фазы, но удерживается величина амплитуды, ибо ослабление калиевого шунта компенсирует ослабление натриевых токов от натриевой инактивации. Особенности ионных каналов соматической мембраны, вероятно, имеют значение не только для электрогенеза. Можно думать, что они существенны и для обеспечения интенсивно протекающих в соме метаболических реакций, чувствительных к [Са2+], [К+]и [Na+] внутри клетки. Однако у разных животных эти характеристики перикарионов не одинаковы. В телах нейронов спинномозговых ганглиев крыс, исследованных по такой же методике, не обнаружилось кальциевых каналов, участвующих в генерации ПД, вместо них там были найдены особые "медленные" натриевые каналы. Следует сказать несколько слов о ПД перехватов Ранвье нервных волокон позвоночных животных. Потенциалы действия перехватов Ранвье имеют в общем такой же механизм, как н у гигантского аксона кальмара. Однако плотность натриевого тока ПД здесь гораздо выше. Нисходящая фаза ПД определяется в перехвате не только выходящим калиевым током, но в значительной мере неспецифическим током утечки. Роль этого тока особенно велика у птиц и млекопитающих. По последним данным у миелинизированных нервных волокон млекопитающих в мембране перехватов очень мало или даже совсем нет потенциалозависимых калиевых каналов. Но у этих волокон такие каналы имеются в межперехватной (интернодальной) мембране. По-видимому, у всех позвоночных неспецифический ток утечки, определяющий нисходящую фазу ПД в перехватах миелинизированных волокон, протекает отчасти и через насечки миелиновой оболочки. В генезе следового отрицательного потенциала неизолированного перехвата Ранвье очень большую, если не основную роль играет накопление ионов К+ в щели перехвата. В заключение остановимся на так называемых шумах ионных каналов. Каждый из ионных каналов мембраны, обладающих теми или иными воротными механизмами, даже при постоянстве МП и химического состава среды не находится все время в каком-то одном положении; он то открывается, то закрывается. Эти переходы от закрытого состояния к открытому и обратно осуществляются по закону случая и практически мгновенно, что обусловливает прямоугольную форму одиночного толчка тока в канале. Время открытого состояния называют "временем жизни канала". Хаотическое открытие и закрытие каналов, порождающее перемещения ионов, создает электрический шум. Для потенциалозависимых каналов соответствующее электрическое поле является фактором резко увеличивающим вероятность открытого состояния каналов, что и создает эффект увеличения ионной проницаемости. Для исследования динамики отдельных каналов определенного вида исследуют слабый электрический шум, создаваемый этими каналами в каком-то небольшом участке мембраны в условиях клампа МП и химической блокады прочих каналов. Например, в мембране гигантского аксона кальмара так изучили шумы отдельно натриевых и калиевых каналов. Анализ этих шумов позволил рассчитать плотность расположения каналов в мембране и проводимость одиночного канала. В гигантском аксоне кальмара плотность натриевых каналов оказалась равной 300/1 мкм2, проводимость канала 4 рмО. В перехвате Ранвье амфибий плотность натриевых каналов - 2000/1 мкм2, а средняя проводимость канала равна 8 рмО. |
|
Биолого-химический факультет УдГУ |
Powered by swift.engine.edu |
Лекция 4. Распространение электрона и проведение потенциала действияМы уже говорили о том, что если мембрана нервного волокна (нервной клетки или мышечного волокна) в какой-то точке подвергается действию входящего или выходящего постоянного электрического тока, то в этой точке МП оказывается постоянно измененным - сниженным при выходящем токе и повышенным при входящем токе. Это состояние измененного МП называют физическим электротоном (тонус, т. е. постоянное напряжение). Физический электротон даже при строго локальной подаче тока с помощью внутриклеточного микроэлектрода на какую-либо точку мембраны не локализуется в этой точке мембраны, расползается во все стороны от нее, ослабевая (декрементируя). Это распространение физического электротона по мембране, хотя само по себе и не обеспечивает дальней связи, тем не менее имеет очень большое физиологическое значение. Оно обеспечивает ближнюю связь по мембране в объектах с малой протяженностью (например, в телах нейронов, в некоторых мышечных волокнах, в клетках глии, эпителия и др.). Это же распространение электротона является одной из основ механизма бездекрементного проведения возбуждения (потенциала действия) в протяженных нервных и мышечных волокнах. Рассмотрим некоторые подробности распространения электротона и причины этого распространения. При включении, достаточно длительном действии, а затем выключении тока электротон соответственно возникает (нарастает, расползается), далее существует как стационарное распределение потенциалов вокруг электрода и, наконец, исчезает. Причина распространения электротона заключена в кабельной структуре клеточных объектов, например нервного (мышечного) волокна. Нервное волокно подобно кабелю имеет хорошо проводящий электрический ток стержень - аксоплазму, и плохо проводящую высокоомную оболочку - мембрану. При такой структуре электрический ток, вводимый микроэлектродом в какую-либо точку кабеля (при наружном расположении другого электрода) как бы стремится использовать проводящий стержень для подхода к возможно большему числу точек высокоомной мембраны, сопротивление которой ему необходимо преодолеть. Очевидно, если сопротивление аксоплазмы (Ri) и сопротивление среды (Re) по сравнению с сопротивлением мембраны (Rм) пренебрежимо малы, то подаваемый ток сможет использовать все точки мембраны волокна практически равномерно и элек-тротон равномерно охватит все волокно. Наоборот, при сопротивлении мембраны (RM) пренебрежимо малом по сравнению с сопротивлением аксоплазмы (Ri) и среды (Re), электротон локализовался бы практически в области микроэлектрода. При соизмеримости RM и Re, стационарный электротон экспоненциально затухает в пространстве с константой где RM, Ri и Re рассчитаны на единицу длины (1 см). Так как Ri зависит от диаметра волокна (D), то при использовании тех же показателей, рассчитанных на единицу площади (1 см2), имеем: Постепенное, экспоненциальное развитие и исчезновение электротона во времени (в каждой точке мембраны) объясняется наличием мембранной емкости См. Скорость этого развития определяется постоянной времени мембраны τм. Чем больше τ, тем медленнее возникает и исчезает электроток. Вдали от точки приложения электрода электроток возникает и исчезает медленнее. Поскольку электроток при включении тока как бы расползается по мембране, можно говорить о скорости распространения электротона Vэт. Обратимся теперь к феномену проведения возбуждения, т. е. распространения ПД, имеющему место в нервном или фазном мышечном волокне, а также в соме и дендритах нейрона. Возбуждение (ПД) как и электротон, распространяется по мембране клеток всесторонне (в волокнах, грубо говоря, "двухсторонне"). Но проведение возбуждения в отличие от распространения электротона происходит (в однородном проводнике!) без снижения амплитуды ПД и без снижения скорости (бездекрементно). Механизм проведения возбуждения, как хорошо теперь известно, включает в себя два компонента: 1) раздражающее действие катэлектротонического сигнала, порождаемого локальным ПД, на соседний участок электровозбудимой мембраны и 2) возникновение ПД в этом соседнем раздражаемом участке мембраны. Проведение ПД - это нечто вроде эстафеты, в которой каждый участок вдоль волокна выступает как раздражаемый, а затем как раздражающий последующий участок. То, что ПД распространяется с помощью петли электротона, доказывается фактом перескока нервного импульса через узкий участок инактивированной мембраны (отравленной или охлажденной) . Хотя сам по себе этот участок не генерирует ПД, но ПД, возникающий в доблоковой области, вызывает за участком блока катэлектротонический сдвиг потенциала, на вершине которого можно определить ЛО. Иногда здесь получается и ПД В последнем случае возбуждение как бы "перескакивает" через инактивированный участок и распространяется дальше. Перескоку возбуждения через такой участок отчетливо способствует снижение сопротивления внешней среды (Re), в частности, шунтировка нервного кабеля с помощью металлических стерженьков и ртути, применявшаяся Ходжкиным в опытах на гигантском аксоне кальмара (1939). Снижение Re делает электроток более распространенным в пространстве что и способствует перескоку ПД. Назовем реальные скорости в некоторых немиелинизированных нервных проводниках. В гигантском аксоне кальмара V = 25 м/с (при D= 0,5 мм). В тонких волокнах позвоночных - около 1 м/с (при D=l мкм). Остановимся на понятии "протяженности возбужденного участка", т. е. участка, в котором в данный момент генерируется пик ПД (та или иная его стадия) . Протяженность возбужденного участка L=VПД • tПД. В гигантском аксоне кальмара L=l мс • 25 мм/мс = 25 мм. В тонких немиелинизированных волокнах при tПД= 1 мс: V = 1 мм/мс; L=l мс •1 мм/мс=1 мм. Проведение возбуждения в миелинизированных нервных волокнах, характерных для скоростных линий нервной связи у высших животных, осуществляется тем же способом, что и в немиелинизированных, но здесь имеются некоторые существенные особенности. Миелиновые муфты, каждая из которых формируется намоткой одной шванновской клетки на аксон, являются хорошими электроизоляторами: у миелина (R = 0,16 МОм•см2) С= 0,005 мкФ/см2. Поэтому в миелинизированном волокне проводят электрические токи и генерируют ПД в ответ на них по существу только узкие (∼ 1 мкм) оголенные участки, расположенные между муфтами - перехваты Ранвье, что было показано Тасаки и Такеути в 1942 г. и Хаксли, Штемпфли в 1949 г. Распространение ПД здесь осуществляется скачкообразно - "сальтаторно" - от перехвата к перехвату. Поскольку миелиновые сегменты гораздо протяженнее перехватов (1000 - 2000 мкм против 1 мкм), то такая форма функционирования проводника экономична в смысле расхода ионов и нагрузки на ионный насос и обеспечивает существенно большие скорости проведения возбуждения (рис.4.1. ). Рис. 4.1. Сопоставление непрерывного и сальтаторного распространения потенциала действия. Схемы: а - непрерывного распространения ПД в немиелинизированном волокне ; б - сальтаторного проведения в миелинизированном нервном волокне; в - развитие одиночного пика ПД во времени и распространение его в пространстве. VПД здесь иначе зависит от диаметра волокна, чем в случае немиелинизированных проводников. Эмпирически установлено, что в миелинизированных волокнах позвоночных VПД=КD; ν линейно зависит от D, потому что ν пропорциональна длине межперехватного участка l, а l линейно зависит от D (при этом время на раздражение очередного перехвата оказывается приблизительно постоянным). "К" варьирует от 6 до 1,73 для разных групп волокон. У млекопитающих в группе наиболее толстых миелинизированных A-волокон К=6, т. е у волокон с D= 20 мкм VПД=120 м/с (при этом L = 60 MM), a у волокон с D=4 мкм VПД=24 м/с (L - 24 мм). Обратим внимание на то, что в последнем случае скорость проведения приблизительно соответствует достигаемой в гигантском аксоне кальмара (D = 500 мкм). Это наглядно демонстрирует прогрессивность миелинизации, позволяющей достигать высоких скоростей нервнойсигнализации при малой толщине нервных проводников. И понятно, что нервные болезни, при которых происходит демиелинизация, характеризуются сильными расстройствами функций нервной системы. В заключение отметим особенности проведения ПД в участках резкого изменения свойств нервного проводника. Таковым является, например, переход миелинизированного нервного волокна в оголенное и разветвленное окончание. Площадь мембраны довольно протяженного окончания обычно значительно (на 2 порядка) больше площади перехвата Ранвье (хотя окончание тоньше магистрального волокна). При таком соотношении площадей проведение ПД из перехвата в окончание (например, моторное) несколько замедленно и имеет сниженный ГФ. Это объясняется падением плотности локального раздражающего тока в окончании. Проведение же из окончания (например, сенсорного) в перехват ускорено и облегчено из-за концентрации тока ПД окончания в перехвате. Аналогичная ситуация наблюдается в участках разветвления магистральных нервных волокон (а также проводящих ПД дендритов). Поскольку рабочая площадь мембраны в неразветвленной части меньше, чем в разветвленной, то проведение ПД из первой во вторую происходит с некоторым замедлением и при сниженном ГФ]. Наоборот, синхронные ПД ветвей взаимно облегчают себе вход в неразветвленную часть проводника. Наконец, сходные явления имеют место в участках резкого изменения диаметра проводника, например, в районе перехода тела нейрона в начальный сегмент аксона или дендрит. Здесь взаимодействующие соседние участки мембраны также имеют существенно разную по величине рабочую площадь. И это обстоятельство при прочих равных условиях способствует проведению ПД из расширенного сегмента в суженный (например, из сомы в дендрит) и затрудняет проведение в противоположном направлении. |
|
Биолого-химический факультет УдГУ |
Powered by swift.engine.edu |
Лекция 5. Электрофизиология нервного стволаНервный ствол (или нерв) представляет собой пучок множества (тысячи) нервных волокон, одетых общими эпителиальной и соединительнотканной оболочками. Обычно нерв включает в себя волокна различного типа и разного диаметра. Например, в седалищном нерве лягушки имеются двигательные волокна (аксоны мотонейронов), чувствительные (аксоны чувствительных клеток) и вегетативные (аксоны нейронов симпатических ганглиев). Моторные и наиболее толстые чувствительные волокна этого нерва миелинизированы, симпатические - не имеют миелиновой оболочки, но покрыты одним слоем шванновских клеток. Все эти волокна в покое имеют поляризованную поверхностную мембрану. Как уже говорилось, если нерв перерезать и соединить с электрорегистрирующим устройством его поперечный разрез и продольную поверхность, то регистрируется потенциал повреждения или иначе потенциал покоя (ПП) нормальной точки нерва относительно поврежденной. ПП имеет обычно небольшую величину - 20-30 мВ, он меньше МПП волокон нерва, что объясняется шунтирующим действием межволоконных щелевых пространств. Если в сегменте нерва, расположенном между электродами, заменить (перфузией) межклеточную жидкость на раствор сахарозы ("сахарозный мостик"), то ПП нерва поднимается до -70 мВ. Его величина, по существу, отражает величину МПП наиболее толстых ?-волокон группы А, генерирующих основную часть внешнего тока. Потенциалы действия различных групп волокон нервных стволов позвоночных исследованы в классических работах Эрлангера и Гассера (1937). Авторы установили, что в нервах лягушки и кошки имеются три основные группы волокон (А, В и С), различающиеся по электровозбудимости, по скорости развития и компенсации ПД и по скорости проведения (все эти показатели в ряду А-В-С падают). Группа А включает наиболее толстые хорошо миелинизированные моторные и чувствительные волокна; В - слабо миелинизированные преганглио-нарные (парасимпатические) волокна; С - немиелинизирован-ные постганглионарные (симпатические) волокна. Группа А неоднородна, в ней по тем же показателям можно выделить подгруппы; в этом ряду названные показатели тоже падают. Заметим, что указанные соотношения порогов электрического раздражения групп волокон не отражают точного соотношения электровозбудимости их мембран. Высокие относительные пороги тонких волокон при их раздражении в нервном стволе определяются в основном тем обстоятельством, что тонкие волокна по сравнению с толстыми обладают более высоким внутренним сопротивлением. В них входит такая малая часть раздражающего тока, что при пороговой силе для Aα-волокон, она совершенно недостаточна для создания на мембране более тонких волокон сколько-нибудь существенной деполяризации. За вычетом этого фактора различия электровозбудимости А, В, и С групп волокон, по-видимому, гораздо менее значительны. Суммарная (многоволоконная) электрическая активность нерва (нервного ствола) создается его волокнами, каждое из которых генерирует свой стандартный по амплитуде и временным параметрам ПД, распространяющийся в обе стороны от точки, к которой приложено раздражение. Суммарный электрический сигнал нерва зависит от числа активных волокон, синхронности их активности, способа отведения и других обстоятельств. Рассмотрим случай так называемого однофазного отведения, при котором один отводящий электрод (активный) стоит на нормальном участке ствола, а другой (индифферентный) на поврежденном участке, где волокна деполяризованы полностью (рис.5.1.). Пусть применяется искусственное раздражение и раздражающий электрод (катод) расположен достаточно близко (l==3 мм) от активного отводящего электрода, а нерв находится в непроводящей среде - масле или воздухе. В этой ситуации, когда сильное одиночное раздражение приводит к синхронному возбуждению всех волокон, активным отводящим электродом регистрируется суммарный ПД нерва, по форме приближающийся к ПД отдельного α-волокна, но немного более затянутый во времени. Этот ПД нерва, однако, не подчиняется правилу "все или ничего", но зависит от силы раздражения: на пороге ПД ничтожно мало, с увеличением силы стимулов он постепенно растет, достигая максимума, равного при обычных условиях нескольким милливольтам (5-10 мВ), а в условиях сахарозного мостика 50-100 мВ. При дальнейшем увеличении силы стимулов этот ПД несколько удлиняется во времени. Все эти изменения амплитуды и длительности пика ПД нерва Рис.5.1 . Развитие пика составного потенциала действия нервного ствола. а - схема раздражения и однофазного отведения ПД нервного ствола, перфузированного высокоомным раствором сахарозы, б - рост амплитуды составного ПД при усилении стимулов. Схемы петления: в - тока одиночного возбужденного волокна на окружающие его покоящиеся волокна, г - токов двух соседних возбужденных волокон, д и е - эквивалентные схемы двух соседних волокон при возбуждении одного из них (д) и при синхронной активации обоих в соседних точках (е). при усилении стимула определяются ростом числа активных волокон, подключением к низкопороговым и быстрым а-волокнам, более высокопороговых медленных β, γ, Δ волокон группы А, а затем В и, наконец С-группы. Но рост амплитуды суммарного ("составного") ПД нерва при увеличении числа синхронно активных волокон не имеет в своей основе истинного сложения их ЭДС. Волокна в нерве подключены не последовательно (лишь тогда их ЭДС бы складывались), а параллельно. Причину роста составного ПД при увеличении числа активных волокон можно понять, рассмотрев схему на рис. , из которой видно, что неактивные волокна шунтируют активные. При активизации неактивных волокон этот шунт снимается. Кроме того, при этом падает суммарное внутреннее сопротивление источника . Рассмотрим случай, когда при тех же прочих условиях существенно (до 80-100 мм) увеличено расстояние между раздражающим электродом (катодом) и активным отводящим электродом (рис.5.2 ). При этом на пороговые раздражения и Рис.5.2. Схемы дисперсии компонентов составного однофазного потенциала действия нерва (связанных с А (α, β, γ, Δ) В- и С-волокнами) и формирования двухфазного потенциала действия. а, б - варианты однофазного отведения ПД при малой (а) и большой (б) дистанциях проведения, в, г - формы составных ПД при данных дистанциях и разных силах раздражения (при большой дистанции и сверхпороговом раздражении пик составного потенциала больше и разделен на ряд последовательных зубцов, порождаемых волокнами с разными скоростями проведения), д, е - схемы двухфазного отведения (d) и формирования асимметричной двухфазной кривой (е) из однофазных сигналов двух отводимых точек (1 и 2). при небольшом превышении порога получается в общем такой же Аα-пик. Но по мере роста предъявляемых стимулов этот Аα--пик не просто увеличивается, а осложняется рядом дополнительных более поздних пиков, следующих за Аα-пиком. Это Аβ-, Аγ и АΔ-, В и С-пики. Такое их распределение -результат отставания от Аα--импульса импульсов Аβ,γ и Δ, В и С волокон, называемое их дисперсией во времени. Степень ее у одиночного залпа первоначально синхронных импульсов тем больше, чем больше дистанция проведения и чем больше различия в скорости проведения у сигналов волокон разных групп (рис.5.2.). Рассмотрим вариант так называемого двухфазного отведения ПД, при котором оба электрода расположены на нормальных неповрежденных участках нерва. Это отведение применяют в том случае, если нервный проводник почему-либо надо сохранить в целости. При двухфазном отведении картина сложна, даже если дистанция проведения мала и нет существенной временной дисперсии волоконных сигналов. Дело в том, что каждый из электродов при этом отводит свой составной ПД (ПД в своей точке) и эти два ПД алгебраически складываются на входе регистрирующего прибора. На схеме (рис.5.2.) видно, что при этом сложении получается двухфазная волна и что в силу несимметричности пиков ПД первая фаза этой волны выше Рис.5. 3 . Схема отведения распространяющего пика потенциала действия нерва на некотором расстоянии от него в проводящей среде. 1-у левого края фильтровальной бумажки, 2 - на уровне средней части проводника, 3 - на конце нерва, 4 - у правого края фильтровальной бумажки. второй, а вторая длиннее первой. При большей дистанции проведения эти фазы, кроме того, осложняются соответствующими дополнительными пиками. Наконец, рассмотрим так называемое фокальное отведение (рис.5.3.) пика ПД нервного ствола, расположенного в проводящей среде. При таком отведении один электрод приближен к нерву, а второй (индифферентный) "бесконечно" удален. Этот случай моделирует регистрацию электрического сигнала нейрона или группы нейронов в мозге с помощью внеклеточного фокального микроэлектрода. Лоренте де Но проанализировал этот вариант отведения в опыте на седалищном нерве лягушки, расположенном на листе фильтровальной бумаги, смоченном в растворе Рингера. Зарегистрировав фокальным электродом потенциалы в разных точках проводящей среды в определенные моменты возбуждения нерва (например, при достижении вершины а-пика ПД в средней части нерва), автор смог получить картины электрического поля, возникающего в проводящей среде вокруг активного нерва (см. рис.5.3.). Представленная на рис. схема - это изображение электрического поля на плоскости. Но вращая рисунок вокруг оси нерва, можно получить соответствующее объемное поле. Обратим внимание на то, что нерв в тот момент, когда он оказывается возбужденным в средней части, имеет вид генератора с тремя полюсами - двумя плюсами по концам и минусом в средней части. И электрическое поле в среде имеет три соответственные зоны, разделенные на плоскости линиями (а в объеме поверхностями) нулевых сдвигов U. Заметим, что по мере удаления от нерва в любую сторону величины сдвигов U падают, на краях бумажки они близки к 0. Когда возбуждение нерва (его составной ПД) распространяется слева направо, то движется и порождаемое им электрическое поле в среде. При этом стоящий на средней линии фокальный электрод, мимо которого движется ПД, регистрирует трехфазный сигнал, тем более слабый,чем дальше этот электрод отнесен от нерва (в поперечном к его оси направлении). Если отводящий фокальный электрод помещается в месте зарождения поля ПД, т. е. на нашей схеме на левом краю фильтровальной бумажки, где нерв на нее выходит из масляной ванночки (в которой он контактирует с раздражающими электродами), то при пробеге ПД регистрируется двухфазный сигнал . Если же фокальный электрод помещается на правом краю бумажки, куда нерв не дотягивается и ПД соответственно не доходит, то при пробеге ПД регистрируется однофазный сигнал положительной полярности. Заметим, что эти формы фокального электрического сигнала, порождаемого полем проводящегося ПД,- трехфазная, двухфазная и однофазная характерны соответственно для случаев прохода ПД мимо электрода, зарождения ПД около электрода и ухода от него и, наконец, движения ПД к электроду с остановкой "на полпути". Все рассмотренные до сих пор варианты записи электронейрограмм получаются при синхронной электрической активности всех волокон нервного ствола в условиях искусственного электрического раздражения нерва. Но в естественных условиях отдельные волокна нервного ствола получают раздражение (тоже электрическое) из своих индивидуальных источников, например моторные волокна, из тел мотонейронов, а чувствительные - из рецепторов. Волокна нервного ствола при этом работают чаще всего асинхронно, а чувствительные и двигательные, кроме того, проводят ПД в разных направлениях. При этом из-за действия шунтов суммарная электрическая активность нервного ствола оказывается очень ослабленной, ее анализ весьма труден. В заключение коснемся вопроса об электрических взаимоотношениях работающих соседних волокон в нервных стволах. На схеме (рис.5.1.) видно, что соседние волокна подключены друг к другу, как шунты, через межклеточную щель. И если одно из этих волокон работает, то внешние петли тока, порождаемого его ПД, затекают в соседние волокна, используемые, таким образом, как часть внешней электропроводности (проводимости). Сила тока этих петель при активности малого числа волокон не достаточна для раздражения. Поэтому в условиях асинхронной активности волокна функционируют вполне изолированно друг от друга. Но при синхронной активации значительной части волокон нерва суммарное поле их ПД порождает более сильный ток, приближающийся к пороговому для волокон. При этом возможно, например, ускорение проведения импульсов по более медленным волокнам за счет добавления соседнего электрического влияния от более быстро проводящих. Такой эффект отчетливо показали Катц и Шмидт в 1940 г. на нерве ракообразного, содержащем всего 2 волокна. Если искусственно повысить электровозбудимость волокон нерва, то, как показал еще в 1937 г. Д. Г. Квасов, возбуждение части волокон влечет за собой "соседнее" электрическое раздражение остальных. Такой эффект между прочим лежит в основе уравнительной стадии парабиоза нерва, описанного Н. Е. Введенским. Если синхронно и в одной точке нерва возбуждается большая часть его волокон, например все А-волокна, то получается еще один эффект. Происходит взаимное вычитание внешних петель биотоков соседних возбужденных волокон. Это приводит к снижению силы токов, связывающих возбужденные участки этих волокон с покоящимися, подлежащими раздражению. В итоге на несколько процентов падает скорость проведения их ПД и ГФ1 этого проведения. В нормальном проводнике такое снижение ГФ! практически не сказывается на функции. Но если нерв локально обработан каким-либо повреждающим агентом и в этом месте (участок парабиоза) его волокна исходно имеют ГФ1∼1, то синхронный залп ПД совокупности его волокон, распространившись до участка парабиоза, может не пройти через этот участок из-за рассмотренного дополнительного снижения ГФ. И чем больше волокон синхронно возбуждено (т. е. чем сильнее приложенное к нерву раздражение), тем вероятнее такой блок. В этом, по нашим данным, состоит основная причина парадоксальной стадии парабиоза нерва. |
|
Биолого-химический факультет УдГУ |
Powered by swift.engine.edu |
Лекция 7. Нервные сети и основные законы их функционированияНервная система человека и животных может быть представлена как система нейронных цепочек, передающих возбуждающие и тормозные сигналы (нервная сеть). Существуют значительные количественные различия нервных сетей у разных видов позвоночных и беспозвоночных. Так, у человека нервная система включает 10 элементов, у примитивных беспозвоночных - около 10 нейронов (их нервная система называется малонеиронной). Однако в строении и функционировании всех нервных систем имеются общие черты В нервной системе позвоночных и беспозвоночных можно выделить следующие категории нейронов
Особую категорию составляют так называемые командные вставочные клетки, которые благодаря связям со множеством эффекторных нейронов запускают более или менее сложные поведенческие акты. Все эти клетки наиболее подробно изучены в малонейронной нервной системе моллюсков (например, у аплизии) Там осуществлена идентификация многих крупных элементов, которые имеют стандартное положение в ганглиях и стандартные функции у всех особей. Предполагают, что такую же жесткую регламентацию структуры и свойств могут иметь и некоторые нейроны высших животных. Во всех изученных нервных системах (сетях) обнаружены дивергенция путей, передающих те или иные сигналы, конвергенция путей, передающих информацию в высшие, а также в исполнительные центры, различные варианты тормозных связей между элементами нервных цепочек. Дивергенция и конвергенция путей. Дивергенция пути - это контактирование одного нейрона со множеством нейронов более высоких порядков.. Так, у позвоночных существует разделение аксона чувствительного нейрона, входящего в спинной мозг, на множество веточек (коллатералей), которые направляются к разным сегментам спинного мозга и в головной мозг, где происходит передача сигнала на вставочные и далее - на моторные нервные клетки. Дивергенция пути сигнала наблюдается и у вставочных, например командных, клеток, а также выходных нервных клеток (мотонейронов и других эффекторных нейронов). Так, у человека один большой мотонейрон (группы А) иннервирует, т. с. возбуждает десятки мышечных волокон (во внешних глазных мышцах) и даже тысячи (в мышцах конечностей). Дивергенция пути обеспечивает расширение сферы действия сигнала. Это называют иррадиацией возбуждения (или торможения). Конвергенция - это схождение многих нервных путей к одним и тем же нейронам. Например, у позвоночных на каждом мотонейроне спинного мозга и ствола головного мозга образуют синоптические окончания тысячи сенсорных, а также возбуждающих и тормозных вставочных нейронов разных уровней. Мощная конвергенция обнаруживается и на нейронах ретикулярной формации ствола мозга, на многих корковых нейронах у позвоночных и, видимо, на командных нейронах. Конвергенция многих нервных путей к одному нейрону делает этот нейрон интегратором соответствующих сигналов. Его состояние, т. е. импульсация или "молчание" в каждый данный момент определяются алгебраическим сложением массы возбуждающих и тормозных входов, иными словами, интегралом всех его ВПСП и ТПСП. Такое сложение ПСП называют пространственной или одновременной суммацией. При этом нейрон-интегратор называют общим путем для конвергирующих на него нервных сигналов, и если речь идет о мотонейроне, т. е. конечном звене нервного пути к мускулатуре, говорят об общем конечном пути. Наличие конвергенции множества путей, т. с. нервных цепочек, на одной группе мотонейронов лежит в основе феноменов пространственного облегчения и окклюзии. Пространственное облегчение - это превышение эффекта одновременного действия двух относительно слабых афферентных возбуждающих входов в ЦНС над суммой их раздельных эффектов. Феномен объясняется суммацией ВПСП до КУД в группе мотонейронов, имеющих подпороговые ВПСП при раздельной активации входов. Окклюзия - это явление, противоположное пространственному облегчению. Здесь два сильных (т. с. реализуемых большим числом элементов) афферентных входа вместе возбуждают группу мотонейронов, меньшую той, которая образуется при арифметическом сложении групп мотонейронов, возбуждаемых от этих входов, когда они действуют порознь. Причина окклюзии состоит в том, что эти афферентные входы в силу конвергенции отчасти адресуются к одним и тем же мотонейронам и каждый может создать в них такое же сверхпороговое возбуждение, как и оба входа вместе. Использование торможения в нервных сетях. Рассмотрим основные направления тормозных действий в нервных сетях: реципрокное торможение, возвратное торможение, латеральное торможение и прямое взаимное торможение. Реципрокиое торможение - это взаимное (сопряженное) торможение центров антагонистических рефлексов, обеспечивающее координацию этих рефлексов. Классический пример реципрокного торможения - это торможение мотонейронов мышц-антагонистов у позвоночных. Торможение осуществляется с помощью специальных тормозных вставочных нейронов. При активации путей, возбуждающих, например, мотонейроны мышц-сгибателей, мотонейроны мышц-разгибателей тормозятся импульсами вставочных клеток. Аналогичное по смыслу торможение, но направленное прямо на мышцы, наблюдается у ракообразных . Возвратное торможение - это торможение нейронов собственными импульсами, поступающими по возвратным коллатералям к тормозным клеткам. Возвратное торможение наблюдается, например, в мотонейронах спинного мозга позвоночных. Эти клетки отдают возвратные коллатерали в мозг к тормозным вставочным клеткам Реншоу, которые имеют синапсы на этих же мотонейронах. Торможение обеспечивает ограничение ритма мотонейронов, что важно для нормальной работы двигательного аппарата. Такую же роль играет возвратное торможение и в других нервных сетях . Латеральное торможение - это торможение элементов соседних нервных цепочек в конкурирующих сенсорных каналах связи . Латеральное торможение, видимо, также осуществляется с помощью тормозных вставочных клеток. Такое торможение четко показано у мечехвоста в сенсорных цепочках, идущих от фасеточного глаза к ЦНС. Оно наблюдается у соседних элементов сетчатки позвоночных, а также в их зрительных, слуховых и других сенсорных центрах. Во всех случаях латеральное торможение обеспечивает контраст, т е выделение существенных сигналов из фона. Прямым взаимным торможением можно назвать тормозное взаимодействие двух (или большего числа) командных нейронов, осуществляющееся без специальных вставочных клеток. Такое торможение предполагается у командных клеток L-10 и интернейрона II у моллюска аплизии. Прямое взаимное торможение в паре клеток делает эту пару склонной функционировать по принципу "или - или". Иначе говоря, такая "метастабильная" сеть разрешает работу либо клетке L-10, либо клетке II в силу того обстоятельства, что активная клетка прямо тормозит конкурента, чем освобождает себя от торможения с его стороны. Предполагают, что подобные отношения существуют и между командными нейронами мозга высших животных и человека, обеспечивающими поведенческие и эмоциональные установки по принципу доминанты . Самовозбуждающиеся нервные цепи. Некоторые данные свидетельствуют о том, что в мозгу животных и человека существуют самовозбуждающиеся цепочки нейронов, т. е. такие замкнутые цепочки, в которых нейроны соединены синапсами возбуждающего действия . Возникнув в ответ на внешний сигнал, возбуждение в такой цепочке циркулирует, иначе реверберирует, до тех пор, пока или какой-либо внешний тормоз не выключит одно из звеньев цепи, или в ней не наступит утомление. Выходные пути от такой цепочки (ответвляющиеся по коллатералям аксонов нервных клеток - участников цепи) во время работы передают равномерный поток импульсов, создающий ту или иную настройку в нервных клетках-мишенях. Таким образом, самовозбуждающаяся цепочка, пока она работает, как бы "помнит" тот краткий сигнал, который включил в ней циркуляцию (реверберацию) импульсов. Считают, что это возможный механизм (или один из механизмов) краткосрочной памяти.
|
|
Биолого-химический факультет УдГУ |
Powered by swift.engine.edu |