2 курс / Нормальная физиология / Общий_курс_физиологии_человека_и_животных_Том_1_Ноздрачев_А_Д_,

Рис. 1.9. Методика фиксации потенциала мембраны (UМ) и регистрации трансмембранных токов

(Iм):Ус — усилитель, реагирующий выходным током на разность между задаваемым «извне» потенциалом. E и Uм В силу конструкции системы ток I этого усилителя, проходя через сопротивление мембраны (Rм), изменяет Uм так, что достигается равенство между Uм и Е. При достаточном коэффициенте усиления усилителя и быстродействии системы Uм практически фиксируется на уровне Е. При снижении Е и вслед за ним Uм до КУД или более в мембране нервного волокна (кальмара) открываются потенциалозависимые натриевые и калиевые каналы, что порождает трансмембранные токи, которые и регистрируются на фоне поддерживаемого сниженного Uм

В этой ситуации при достаточном быстродействии системы (при ее постоянной времени 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. При фиксированной величине МП эти токи пропорциональны изменениям PNa и РK (рис. 1.9).

Если фиксированный МП равен потенциалу покоя, то трансмембранного тока практически нет. Если МП скачкообразно повышают, то возникает только направленный внутрь очень краткий ток дозарядки мембранной емкости и за ним постоянный ток утечки. Но если МП скачком снижают, то вслед за током разряда мембранной емкости на фоне тока утечки, направленного наружу, дополнительно возникает краткий, быстрый ток внутрь и за ним более длительный медленный ток наружу. Последние два тока — это ионные токи, текущие через натриевые и калиевые каналы, которые открываются с помощью деполяризации.

При устранении натриевого градиента на мембране путем замены части Na на холин или доведения МП до величины Е = ЕNa картина преобразуется: исчезает быстрый, направленный внутрь ток и выявляется в неосложненном виде медленный ток, направленный наружу. Того же можно добиться специфической блокадой натриевых каналов, применив тетродотоксин (ТТХ).

Таким образом, быстрый направленный внутрь ток — это натриевый ток. Картина его развития может быть получена путем геометрического вычитания медленного ионного тока из суммарного (рис. 1.9). Натриевый ток пропорционален натриевому электрохимическому градиенту и натриевой проницаемости (PNa). Медленный

(задержанный) ионный ток — это калиевый ток. Его значение пропорционально калиевому электрохимическому градиенту и РK Установлено, что этот ток устраняется блокадой калиевых каналов тетраэтиламмонием (ТЭА), прилагаемым снаружи, и ионами Cs+ — изнутри.

Быстрый входящий INa и медленный выходящий IK возникают практически одновременно, но INa быстрее развивается, достигая своего «потолка». Если МП возвращается к величине, характерной для покоя, то INa исчезает примерно в 10 раз быстрее, чем IK, т. е. в массе натриевые каналы мембраны и активируются (деполяризацией), и деактивируются (реполяризацией) быстрее, чем калиевые.

Активация, деактивация и инактивация ионных каналов. Активация каналов определяется открытием их активационных ворот (соответствующим изменением

конформации неких макромолекул), а деактивация — закрытием этих же ворот (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Работа ворот потенциалозависимых натриевых каналов мембраны. А — зависимость процента открытых h- и т- ворот от мембранного потенциала (UM); Б — положение т- и h- ворот при покое (I), развитии пика ПД (II) и рефрактерности (III): т — активационные ворота, h — инактивационные ворота, φ — потенциал, при котором открыты т-ворота у 50% каналов

Возвращаясь к картине развития INa и IK при длительной деполяризации (см. рис. 1.9) в условиях клампа, необходимо обратить внимание на то, что INa уже через 5 мс 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. То, что здесь действительно существует специальный макромолекулярный механизм, доказано избирательным нарушением инактивации PNa под влиянием фермента проназы. Схема срабатывания активационных ворот натриевых каналов, а также их инактивационных ворот при разных МП приведена на рис. 1.10.

Инактивация натриевых каналов, т. е. закрытие их инактивационных ворот, развивается вследствие деполяризации, как и активация, но позже, что и делает возможным развитие INa (а значит, и ПД в естественных условиях). Инактивация РNа — очень важный механизм, который способствует прекращению пика ПД, развитию временной невозбудимости — рефрактерности. Инактивация Na-каналов устраняется после реполяризации мембраны.

Ионные токи при развитии потенциала действия. Ионные токи формируют фазы пика ПД. Эти токи, в общем, сходны с токами, получаемыми при критической деполяризации в методике клампа, но развиваются и прекращаются они гораздо быстрее.

В процессе развития ПД действуют многие факторы, связанные прямыми и обратными связями. Например, на восходящей фазе ПД действует система факторов с

положительной обратной связью (отмечена знаком «+»):

Здесь деполяризация увеличивает РNa, а последняя порождает INa, усиливающий деполяризацию (пока и поскольку INa больше IK + IY). В силу этих отношений INa и восходящая фаза ПД развиваются с ускорением, а амплитуда ПД быстро достигает некоторого максимума, более или менее приближенного к ЕNa

На спаде ПД при реполяризации для INa действует та же система факторов, но с обратными знаками эффектов, а для калиевого тока — система факторов с

отрицательной обратной связью (отмечена знаком «—»):

В итоге спад IK несколько затягивается.

Если скрупулезно учесть все эти факторы и их взаимодействие, то можно из значения токов, получаемых при фиксации мембранного потенциала на разных уровнях, рассчитать форму нормального ПД. Показано совпадение расчетных параметров ПД и параметров ПД, регистрируемых в опыте.

Взаимодействие некоторых из этих факторов можно наглядно представить эквивалентной схемой (см. рис. 1.5, В).

Отрицательный следовой потенциал связан с остаточным INa и с накоплением К+ в межклеточных щелях; положительный следовой потенциал — с остаточным IK, но главным образом с электрогенной работой натрий-калиевого насоса мембраны, активируемого накоплением Na+ под мембраной (из-за INa ПД), а К+ — в межклеточных щелях. В некоторых нервных клетках сразу вслед за пиком развивается довольно значительный краткий положительный следовой потенциал. Его называют андершут5 он создается остаточным IK.

Расход ионов на пик одного проводящегося ПД в гигантском аксоне кальмара очень мал. Например, расход внутриаксонального К+ при этом приблизительно равен одной миллионной доле внутреннего калиевого запаса.

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.

Рассмотрим подпороговый локальный ответ (ЛО) в нервном волокне. Этот ответ обладает в основном тем же механизмом, что и ПД. Его восходящая фаза определяется входящим INa, a нисходящая — выходящим IK. Однако амплитуда ЛО (и его натриевый ток) пропорциональна силе подпорогового раздражения, а не стандартна, как у ПД, т. е. не подчиняется правилу «все или ничего».

Особенности потенциалов действия в соме нейрона. Необходимо остановиться на некоторых особенностях потенциалов действия в телах нейронов, подробно исследованных у моллюсков. Тела гигантских нейронов брюхоногих моллюсков — крупные образования, не имеющие на себе синапсов (синапсы у них находятся на так называемом центральном отростке). Большие размеры и однородность поверхности этих нейронов позволяют подробно исследовать электрические явления на их мембране. На препарате соматической мембраны при электрическом раздражении могут быть получены полноценные ПД. Удалось осуществить фиксацию потенциала такой мембраны, изучить трансмембранные токи при ее активации.

Мембранный потенциал покоя сомы невелик (—40—50 мВ); потенциал действия имеет овершут и достигает 100 мВ и более, по форме он схож с аксонным. Однако ионные механизмы ПД мембраны сомы нейрона моллюска имеют существенные отличия от известных механизмов для нервных волокон. Главное отличие состоит в том, что ПД здесь генерируется не только за счет входящего INa (как в аксоне), но и за счет входящего

ICa.

В соматической мембране нейронов находятся специальные кальциевые каналы, открываемые деполяризацией.

Ток ионов Са2+ через них осуществляется по электрохимическому градиенту. Эти

5 От англ. undershoot — недолет.

1.1.4. Электрическое раздражение и распространение возбуждения

Электрическое раздражение нервной клетки — это такое действие на нее электрического тока, которое вызывает ответ в форме потенциала действия.

В основе электрического раздражения, по современным представлениям, лежит срабатывание, т. е. открытие потенциалозависимых активационных (m) ворот натриевых каналов. Эти ворота, вероятно, формируются макромолекулярной структурой, имеющей полярные группы и поэтому изменяющей свою конформацию под влиянием электрического поля. Наличие таких поляризованных «воротных» молекул в мембране доказано регистрацией воротных токов. Они очень слабы и кратки, но точно связаны с условиями и моментами раздражения.

В натриевом канале существуют и инактивационные (h) ворота. Из схемы положений т- и h-ворот при разных фиксированных МП (см. рис. 1.10) видно, что m-ворота закрыты при нормальном МП и гиперполяризации, но открываются при деполяризации; h-ворота открыты при нормальном потенциале мембраны и гиперполяризации, но закрываются при деполяризации. Выше было указано, что если бы в Na-каналах при деполяризации т- и h- ворота срабатывали одновременно, то Na-каналы не могли бы открыться.

Так как скорость срабатывания m-ворот выше, активация обгоняет инактивацию, что приводит к кратковременному открытию натриевых каналов, т. е. к возбуждению, к развитию натриевого тока, а в естественных условиях и ПД (или JIO).

Причины существования критического уровня деполяризации. В условиях клампа процент каналов с открытыми т-воротами плавно растет с деполяризацией. Как же при этом объясняют наличие резко обозначенного КУД и порога для ПД? Рассмотрим некоторые подробности протекания ионных токов при развитии электротонических потенциалов, ЛО и ПД и, прежде всего токов, текущих через мембрану нервного волокна в клампе на разных уровнях МП (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Соотношение значения различных трансмембранных токов при кратких деполяризациях в методике фиксации потенциала. Общий ток имеет значение, равное разности входящего натриевого тока и выходящих токов (калиевого и утечки). Критический уровень деполяризации (КУД) разделяет области преобладания выходящих токов (подпороговую) и входящего тока (сверхпороговую).

Из рис. 1.12 видно, что на уровне мембранного потенциала покоя трансмембранных токов нет. При гиперполяризации возникает пассивный ток утечки, направленный внутрь. При слабых деполяризациях регистрируется ток утечки, идущий наружу. Если МП фиксировать на более низких уровнях (усилить деполяризацию), то к току утечки добавляются INa, направленный внутрь, и IK, идущий наружу. Возникает алгебраическое сложение токов, в котором INa< IK + IY. При еще более сильной деполяризации INa>IK + IY. Суммарный трансмембранный ионный ток здесь имеет входящее направление. Важно обратить внимание на точку на оси потенциалов, где INa=IK + IY. Что же происходит в нервном волокне при указанных сдвигах МП в естественных условиях?

В области гиперполяризации и очень слабой деполяризации, где действуют только токи утечки, развиваются неосложненные электротонические потенциалы, пропорциональные стимулам. В области слабой деполяризации, где INa<IK + IY, к

катэлектротоническому (деполяризационному) потенциалу добавляется ЛО (см. рис. 1.8). Это связано с тем, что током Na+ частично компенсируется утечка деполяризующего тока «мимо» мембранной емкости. Локальный ответ тем больше, чем сильнее деполяризующий толчок, так как тем больше в нем дол INa. Амплитуда ЛО варьирует от 0 до 20 мВ, суммарный ток при этом имеет выходящее направление и не поддерживает, а ослабляет деполяризацию. Здесь нет саморазвития процесса деполяризации.

При больших деполяризациях, когда INa>IK + IY, суммарный трансмембранный ток имеет входящее направление; он усиливает деполяризацию. При этом в силу уже рассмотренной положительной обратной связи INa быстро растет, доводя МП до значения, более или менее близкого к ЕNa. Так развивается ПД. Стандартность, максимальность амплитуды ПД и ее независимость от силы стимула определяются рассмотренными обстоятельствами.

Величина МП, при которой INa=IK + IY, соответствует КУД, а если считать от исходного значения МП, то порогу раздражения. Для коротких стимулов в этой пограничной точке равновероятно, что процесс изменения МП пойдет на убыль (ЛО) или произойдет лавинообразное развитие деполяризации и инверсия знака потенциала мембраны (ПД).

Так возникает резкая граница между подпороговыми и сверхпороговыми деполяризациями.

Величина КУД зависит от чувствительности т-ворот натриевых каналов к деполяризации (φ-потенциал на рис. 1.10). Последняя тем больше, чем меньше концентрация Са2+ в среде, и наоборот. Это объясняется влиянием Са2+ на состояние поверхности мембраны. Но КУД зависит также и от концентрации натрия в среде [Na+]HАР и от процента исходно инактивированных Na-каналов. Чем больше этот процент, тем меньше INa, а значит, тем большая нужна деполяризация (КУД) для развития ПД. Наружный Са2+ препятствует инактивации натриевых каналов. Таким образом, влияние Са2+ на КУД сложно. Так как IK и IY ослабляют действие INa, то для величины КУД имеет значение также состояние специфических калиевых каналов и каналов тока утечки.

Законы электрического раздражения нервных и мышечных элементов. Полярный закон: раздражение обеспечивается только деполяризующим внешним током, т. е. внешним током выходящего направления.

Именно такой ток деполяризует мембрану — снижает мембранный потенциал (рис. 1.13). В случае приложения к объекту двух внешних раздражающих электродов полярный закон гласит: при включении тока раздражение возникает в области катода (здесь ток имеет выходящее направление). Для внутриклеточного раздражения при включении тока необходимо, чтобы внутриклеточный электрод имел положительный знак.

Рис. 1.13. Значение направления электрического тока, его силы и крутизны для раздражения (т. е.

вызова ПД). А — эффективное направление электрического тока при внутриклеточном (а) и внеклеточном (б) раздражениях; Б — порог раздражения, КУД и их изменение при медленном нарастании силы тока

Для получения ответа в форме ПД необходимо, чтобы сила раздражающего тока имела пороговое или сверхпороговое значение, т. е. чтобы МП падал до КУД или еще более. Смысл этого «закона порога» уже разъяснен выше. Необходимо лишь отметить, что пороговая деполяризация мембраны (UПОР) равна МП—КУД, а пороговая сила тока (IПОР) составляет UПОР/RВХ, где RВХ — входное сопротивление объекта для электрического тока.

И если, к примеру, в некотором объекте МП= — 70мВ, КУД= — 50 мВ, а RВХ = 20 мОм,

то UПОР = 20 мВ, а IПОР = — 20 мВ/20 мОм = 1*10-9 А.

В условиях, когда деполяризующий ток дается не прямоугольным толчком, а усиливается от нуля постепенно, ПД может вообще не возникнуть, если при этом КУД (порог) смещается в позитивную сторону и изменяющийся в том же направлении МП его не «догоняет». Отсюда вытекает закон крутизны раздражения, констатирующий, что для раздражения деполяризующий ток должен нарастать достаточно круто (рис. 1.13).

Позитивное смещение КУД при длительной деполяризации называют аккомодацией. Аккомодация объясняется частичной инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых. Аккомодационную способность измеряют величиной критического наклона, или критического градиента, линейно нарастающего стимула (т. е. деполяризации).

Не все нервные (и мышечные) элементы обладают одинаковой способностью к аккомодации. Чувствительные нервные (и некоторые мышечные) волокна имеют низкую аккомодационную способность. В ответ на очень медленно нарастающий и даже на постоянный ток выходящего направления они отвечают постоянно ритмическими повторными ПД. Каждый такой ПД возникает лишь после исчезновения рефрактерности от предыдущего ПД (о понятии рефрактерности см. ниже).

Относительно высокая аккомодационная способность моторных нервных волокон определяется главным образом мощной медленной активацией части их калиевых каналов, порождаемой длительной деполяризацией мембраны. Если РK заранее блокируют тетраэтиламмонием (ТЭА), то аккомодационная способность моторных волокон ослабляется и приближается к таковой у чувствительных волокон.

Пороговая сила деполяризующего тока (но не КУД!) в известной мере зависит от

длительности действия раздражающего тока. Эта зависимость выражается кривой силы

— длительности порогового раздражения (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Значение длительности толчка тока (стимула) для его раздражающего действия. А — рост порога при укорочении прямоугольного деполяризующего толчка; Б — кривая зависимости порогового значения I от его длительности (t) и ее параметры: 1,2,3 — толчки тока (стимулы) и вызываемые ими каталектротонические потенциалы

Кривая силы — длительности демонстрирует, что толчки тока длительнее так называемого полезного времени имеют одинаковую пороговую силу вне зависимости от их длительности; эту силу называют реобазой. Более краткие толчки тока имеют тем более высокий порог, чем они короче (закон гиперболы).

Основная причина последней зависимости заключается в действии мембранной емкости. Очень краткие токи просто не успевают разрядить эту емкость до КУД. Поэтому такие токи необходимо усиливать настолько, чтобы коротким толчком было унесено пороговое количество зарядов (QПОР). Однако QПОР = IПОР*t, откуда и возникает гиперболическая зависимость между пороговыми I и t (закон гиперболы).

Приведенное объяснение кривой силы — длительности изложено несколько

упрощенно, так как здесь не учитывается ЛО, добавляющийся к деполяризующему толчку в пороговой точке. Помимо реобазы важным параметром кривой силы — длительности является хронаксия — минимальная длительность раздражающего тока в две реобазы. У разных объектов хронаксии различны. Это связано главным образом с различиями входной емкости, точнее величины τ, которая равна RBХ*CBX.

Рассмотрим действие длительного подпорогового толчка деполяризующего тока (рис. 1.15). Такой ток в процессе действия вызывает физический катэлектротон, т. е. постоянно поддерживающееся сниженное значение МП. Применяя на этом фоне дополнительные краткие деполяризации, можно измерить порог при катэлектроне (IПОР). В первые моменты он снижен, так как снижен МП при неизменном КУД. Это снижение порога называют физиологическим катэлектротоном. Но при длительном катэлектротоне порог растет из-за сильного смещения КУД в позитивную сторону. Это катодная депрессия, связанная с инактивацией Na-каналов.

Рис. 1.15. Изменение мембранного потенциала и критического уровня деполяризации при действии длительных токов разного направления. А — при деполяризации; Б — при гиперполяризации: АрР — анодоразмыкательное раздражение при сниженном пороге, КД — катодная депрессия (рост порога), ФАэт

— физиологический амэлектротон (порог повышен), ФКэт — состояние физиологического катэлектротона (порог снижен); стрелками указаны текущие величины порога раздражения

При действии гиперполяризующего тока порог для деполяризующих толчков сначала повышен, так как повышен МП при неизменном КУД. Этот рост порога называют физиологическим анэлектротоном. Затем порог падает из-за смещения КУД в негативную сторону. Последний эффект связан с устранением стационарной инактивации части Naканалов.

Если гиперполяризующий ток достаточно силен и длителен, то его выключение может иногда сопровождаться развитием ПД или даже серии ПД (анодоразмыкательное раздражение). При этом, однако, нет нарушения полярного закона, так как при выключении гиперполяризующего тока МП падает до исходного уровня, а КУД оказывается смещенным к нему. И если МП падает до КУД, то, естественно, наступает раздражение.

Изменение электровозбудимости при возбуждении. Электровозбудимость обратно пропорциональна порогу электрического раздражения; ее обычно измеряют на фоне покоя.

При возбуждении эта величина изменяется. Изменение электровозбудимости в ходе развития пика ПД и после его завершения включает последовательно несколько фаз. 1. Абсолютная рефрактерность, т. е. полная невозбудимость, определяемая сначала полной занятостью «натриевого» механизма, а затем инактивацией натриевых каналов (это примерно соответствует пику ПД). 2. Относительная рефрактерность, т. е. сниженная возбудимость, связанная с частичной натриевой инактивацией и развитием калиевой активации. При этом порог повышен, а ответ (ПД) снижен. 3. Экзальтация (повышенная возбудимость, супернормальность, появляющаяся от следовой деполяризации). 4. Субнормальность (пониженная возбудимость), возникающая от следовой

гиперполяризации. Амплитуды ПД на фазе следовой негативности несколько снижены, а на фоне следовой позитивности — несколько повышены.

Наличие рефрактерных фаз обусловливает прерывистый (дискретный) характер нервной сигнализации, а ионный механизм ПД обеспечивает стандартность ПД (нервных импульсов). В этой ситуации изменения внешних сигналов кодируются лишь изменениями частоты ПД (частотный код) или изменением количества ПД.

Фазы измененной возбудимости, сопровождающие развитие ПД, определяют возможности ритмической активности нервной клетки (волокна). Максимально возможный ритм активности, лимитированный длительностью абсолютной рефрактерной фазы (АРФ), часто обозначают как показатель лабильности (Л) — функциональной подвижности (Н. Е. Введенский). Л = 1/АРФ. У нервных волокон показатель Л достигает

1000 и даже 2000 в 1 с.

Распространение физического электротона. Физический электротон — это измененная величина МП, создаваемая пропусканием через данный участок мембраны электрического тока от внешнего (для данного участка мембраны) источника.

Различают катэлектротон (Кэт), создаваемый выходящим током, и анэлектротон (Аэт), создаваемый входящим током. Приставки кат- и ан- указывают на то, что такие токи и состояния возникают в области приложения к волокну катода и анода.

Физический электротон — «пассивное» явление, определяемое внешним током и физическими свойствами покоящейся мембраны. При действии анода, т. е. входящего тока, происходит дозарядка мембранной емкости до некоторого более высокого потенциала. При действии катода, т. е. выходящего тока, происходит разрядка мембранной емкости. Аналогично источнику выходящего тока действует перерезка или прокол мембраны, закорачивающие заряженную (МПП!) мембрану саму на себя. Во всех этих случаях электротон Эт) развивается по определенным единым законам. Ниже описан простейший случай действия точечного источника входящего тока в гигантском аксоне кальмара.

Рассмотрим сначала Аэт в области приложения электрода. В момент включения и выключения прямоугольного толчка входящего тока (эта форма тока является простейшей и вместе с тем свойственной реальным элементарным генераторам тока — одиночным каналам) Аэт не вполне точно повторяет форму этого толчка. Передний и задний фронты Аэт оказываются сглаженными. Это определяется наличием мембранной емкости (См). Постоянная времени разрядки этой емкости (τ = RMCM) составляет около 1 мс. Ясно, что при этом толчки с t < τ дают существенно сниженный Эт. Величина физического электротона (Аэт и Кэт) при прочих равных условиях пропорциональна силе тока (I) и величине сопротивления мембраны (RM), точнее величине входного сопротивления объекта (RВХ), включающего RM и RI (сопротивление аксоплазмы).

В шарообразной клетке RВХ = RM/S, где RM — удельное сопротивление мембраны, S — площадь мембраны (сопротивлением аксоплазмы RI можно пренебречь). В нервном волокне, о котором идет речь здесь и далее, ток, подаваемый от точечного источника (рис. 1.16), проходит через всю мембрану, но имеет разную плотность вблизи и вдали от электрода. В этом случае в отличие от шарообразной клетки RВХ определяется довольно сложной формулой:

где RM и RI — удельные сопротивления мембраны и аксоплазмы. Из этой формулы

следует, что RВХ сильно зависит от d — диаметра волокна, а именно: RВХ = 1 d 3

Действительно, при одной и той же силе тока электротонические изменения на мембране тем больше, чем тоньше данное нервное (или мышечное) волокно. Этим обстоятельством, к примеру, объясняют тот факт, что во многих случаях химические сигналы (медиаторы) специализированных рецепторных клеток (например, в сетчатке,