2 курс / Нормальная физиология / Общий_курс_физиологии_человека_и_животных_Том_1_Ноздрачев_А_Д_,

кортиевом органе, в электрорецепторах) воспринимаются тонкими чувствительными нервными окончаниями (снабженными соответствующими хеморецепторами), так как только в тонких волокнах слабый ток хеморецепторного участка способен создать значительный катэлектротон, необходимый для генерации ПД (нервного импульса).

Электротон, возникший в связи с действием точечного источника, распространяется вдоль нервного волокна. Это определяется кабельными свойствами нервного проводника: RM велико, a RI относительно низко (аналогия с изолированным проводом). Если источник тока действует достаточно долго, то вдоль волокна (в обоих направлениях от электрода) устанавливается определенный градиент электротона (около анода — градиент гиперполяризации, около катода — деполяризации). Величина электротона (U) экспоненциально убывает с расстоянием (х) при удалении от источника:

U =U 0 * e−x / λ

где U0 — электротон в точке приложения электрода; λ — постоянная длины, на которой электротон снижается в е раз (т. е. ≈ до 37 %). Согласно этой формуле, при х = λ, U = 37%U0; при х = 4λ U=2%U0. Постоянная длины зависит от RM, RI и диаметра волокна:

Таким образом, λ, тем больше, чем больше RM и d. Следовательно, в толстых волокнах Эт при прочих равных условиях распространяется дальше, чем в тонких.

Специального внимания заслуживают моменты становления и исчезновения градиентов Эт в нервном волокне. Здесь особую роль играет мембранная емкость (См). В момент включения источника входящего тока См берет его ток на себя, шунтируя, таким образом, Rм в данной точке. При этом См заряжается через RI (рис. 1.16) (в случае катэлектротона — разряжается через RI). Так как величина RI тем больше, чем дальше соответствующий участок мембраны, зарядка (или разрядка) См разноудаленных участков мембраны происходит с разной скоростью. Быстрее прочих заряжается (разряжается) мембрана, ближайшая к источнику, медленнее всех — наиболее удаленная часть мембраны.

Рис. 1.16. Распространение физического электротона по мембране гигантского нервного волокна. А — распределенный выход тока от внутриклеточного источника; Б — эквивалентная электрическая схема для правой части волокна в районе выхода тока; В — затухание электротонических изменений МПП вдоль волокна (l в моменты включения (t1), протекания (t2) и выключения (t3) тока; Г — развитие электротонического эффекта прямоугольного стимула (Ст) во времени для точек l0 и l1. 1, II — процессы возникновения и исчезновения электротона

Таким образом, электротон распространяется от точки исходного изменения МП (подэлектродного участка) в соседние области, но это распространение идет с затуханием (декрементом).

При прочих равных условиях скорость распространения Эт пропорциональна величине λM и обратно пропорциональна величине См. При выключении источника тока Эт исчезает в силу разрядки См через Rм в каждой точке волокна (в случае катэлектротона — в силу дозарядки). Но ближний и дальний Эт исчезают не одинаково быстро. Более медленному спаду дальнего Эт способствует выравнивающий ток, текущий между ближним и дальним участками мембраны.

Распространение Эт — важный механизм клеточной сигнализации. С помощью распространения Эт (главным образом Кэт) осуществляется функциональная связь между различными участками мембраны в клетках, не генерирующих ПД (глия, эпителий, так называемые тонические мышечные волокна). Электротонические сигналы используются в телах нейронов и в дендритах таких мультиполярных нейронов позвоночных, как альфамотонейроны, клетки Пуркинье мозжечка, гигантские пирамидные клетки коры и крупные нейроны ретикулярной формации ствола мозга. Во всяком случае, показано, что электрические сигналы подпороговой силы, генерируемые в дендритах, регистрируются в соме в виде слабых колебаний ее потенциала.

Распространение потенциалов действия. Возбуждение (ПД), как и электротон,

распространяется в аксонах, телах нервных клеток, а также иногда и в дендритах. Однако проведение возбуждения в отличие от распространения электротона происходит без снижения амплитуды ПД и без снижения скорости, т. е. бездекрементно.

Механизм проведения возбуждения, как хорошо теперь известно, включает в себя два компонента: раздражающее действие катэлектротонического сигнала, порождаемого локальным ПД, на соседний участок электровозбудимой мембраны и возникновение ПД в этом соседнем раздражаемом участке мембраны.

Проведение ПД — это нечто вроде эстафеты, в которой каждый участок вдоль волокна выступает сначала как раздражаемый, а затем как раздражающий последующий участок.

То, что ПД распространяется с помощью катэлектротона, доказывает факт перескока Кэт, порождаемого нервным импульсом, 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 возникает и ПД. В последнем случае возбуждение как бы «перескакивает» через инактивированный участок и распространяется дальше.

Скорость распространения ПД в немиелинизированных (т. е. не имеющих миелиновой оболочки) нервных волокнах, как и скорость (v) распространения электротона,

пропорциональна величине λ; она тем больше, чем толще волокно (λ~ d ) и чем ниже сопротивление внешней среды. Например, в гигантском аксоне кальмара vПД в морской воде больше, чем в воздухе, на 80—140 %.

Проведение возбуждения зависит не только от λ, но также от амплитуды ПД (величины электротонического сигнала порождаемого ПД) и от пороговой деполяризации, точнее — от отношения этих двух величин, называемого гарантийным фактором (ГФ). Обычно ГФ = 5 + 7 (т. е. ПД в 5—7 раз выше порога). Если ГФ=1, то проведение ненадежно, если ГФ < 1, то проведения нет. Ясно, что чем выше ГФ, тем эффективнее раздражение соседнего участка (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Зависимость дальности раздражающего действия электротонической петли (и соответственно скорости распространения ПД) от величины λ (А) и амплитуды ПД (Б): А ПД1 и А ПД2

— разные амплитуды потенциала действия, λ1 и λ2 — различные величины λ

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 = 1 мкм).

Протяженность возбужденного участка (L) нервного волокна при развитии пика ПД

(одиночного) определяется следующим образом: L = tПД*vПД. В самом деле, если ПД возник в некоторой точке и распространяется вдоль по волокну, то к моменту, когда в начальной точке этот ПД завершится, он проделает путь L -= tПД (в начальной точке) vПД (рис. 1.18). В гигантском аксоне кальмара L=1мс*25мм/мс = 25 мм. В тонких немиелинизированных волокнах при tПД = 1мс и vПД = 1мм/мс протяженность возбужденного участка

L = 1мс*1мм/мс = 1мм. (В мышечных волокнах позвоночных при tПД = 2мс и vПД = 3мм/мс протяженность возбужденного участка L = 6мм.)

Проведение возбуждения в миелинизированных нервных волокнах, характерных для

«скоростных линий» нервной связи у позвоночных животных, осуществляется тем же способом, что и в немиелинизированных, однако здесь существуют некоторые важные особенности. Миелиновые муфты, каждая из которых формируется одной шванновской клеткой, являются хорошими электроизоляторами: у миелина R = 0,16 Мом*см2, С = 0,005 мкФ/см.

Поэтому в миелинизированном волокне проводят электрические токи и генерируют в ответ на них ПД, по существу, только узкие (l =1 мкм) оголенные участки, расположенные между муфтами, — перехваты Ранвье. Распространение ПД здесь осуществляется скачкообразно — сальтаторно7 — от перехвата к перехвату.

Миелиновые сегменты гораздо протяженнее перехватов (l=1000 + 2000 мкм против 1 мкм), поэтому такая форма функционирования проводника экономична в смысле расхода ионов, нагрузки на ионный насос и обеспечивает существенно большие скорости проведения возбуждения (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Распространение ПД в немиелинизированном (А) и миелинизированном (Б) волокнах и схема формирования пространственной «волны возбуждения», бегущей вдоль нервного волокна (В)

Протяженность возбужденного участка (L) равна скорости (v) распространения пика ПД, умноженной на его длительность (tПД)

В миелинизированных волокнах v = Kd, где К — коэффициент пропорциональности (для амфибий К = 2, для млекопитающих К = 6). Таким образом, в волокнах с d = 20 мкм скорость v у млекопитающих равна примерно 120 м/с (мм/мс). Протяженность волны возбуждения у них при длительности ПД = 0,4 мс составляет 120 мм/мс*0,4 мс = 48мм.

7 От лат. salto — прыжок

равного при обычных условиях 5—10 мВ, а в условиях сахарозного мостика — 50—100 мВ.

Рис. 1.19. Развитие пика составного потенциала действия нервного ствола (пучка). А — отведение ПД нерва с сахарозным мостиком (I); Б — рост амплитуды ПД при усилении стимула, т. е. увеличении числа активных волокон; В — распределение петель токов при активности одного волокна; Г — то же, при активности всех волокон в пучке (в данном случае из двух волокон)

При дальнейшем увеличении, силы стимула этот ПД несколько удлиняется во времени. Все изменения амплитуды и длительности пика ПД нерва при усилении стимула определяются ростом числа активных волокон, подключением к низкопороговым и быстрым А (альфа)-волокнам более высокопороговых медленных бета-, гамма-, дельтаволокон группы А, затем В- и, наконец, С-группы.

Рост амплитуды суммарного («составного») ПД нерва при увеличении числа синхронно активных волокон не имеет в своей основе истинного сложения их электродвижущих сил ЭДС). Волокна в нерве подключены не последовательно (лишь тогда бы их ЭДС складывались), а параллельно. Причину роста составного ПД при увеличении числа активных волокон можно понять, рассмотрев схему на рис. 1.19, из которой следует, 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. 1.20). При этом в ответ на пороговые раздражения или при небольшом их превышении возникает в общем такой же А (альфа)-пик. По мере роста предъявляемых стимулов этот пик не просто увеличивается, а осложняется рядом дополнительных, следующих за ним, более поздних пиков. Это А (бета)-, А (гамма)-, А (дельта)-, В- и С- пики. Такое распределение — результат отставания от А (альфа)- импульса импульсов А (бета)-, А (гамма)-, А (дельта)-, В- и С-волокон, называемое их дисперсией во времени. Степень дисперсии одиночного залпа первоначально синхронных нервных импульсов тем больше, чем больше дистанция проведения и чем больше различия в скорости проведения у импульсов волокон разных групп (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Дисперсия во времени компонентов составного однофазного ПД нерва и формирование двухфазного ПД. I, II, — отведения ПД при малой и большой дистанциях проведения; III, IV —формы составных ПД при этих дистанциях и разных силах раздражения; V, VI — двухфазное отведение и формирование двухфазного ПД из однофазных ПД, отводимых от точек 1 и 2: При сильном раздражении и большой дистанции проведения составной ПД распадается на ряд ПД, порождаемых волокнами с разной скоростью проведения возбуждения

Рассмотрим вариант так называемого двухфазного отведения ПД, при котором оба электрода расположены на нормальных неповрежденных участках нерва. Это отведение применяют в тех случаях, когда нервный проводник надо сохранить в целости. При двухфазном отведении картина сложна, даже если дистанция проведения мала и нет существенной временной дисперсии волоконных сигналов. В этом случае каждый из двух электродов отводит свой составной ПД (ПД в своей точке), которые алгебраически складываются на входе регистрирующего прибора. Из схемы (рис. 1.20) следует, что при этом сложении образуется двухфазная волна и что в силу несимметричности пиков ПД первая фаза этой волны выше второй, а вторая — длиннее первой. При большой дистанции проведения эти фазы, кроме того, осложняются соответствующими дополнительными пиками.

Наконец, рассмотрим так называемое фокальное отведение (рис. 1.21) 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 мозгу с помощью внеклеточного микроэлектрода. Такой вариант отведения проанализирован в опыте на седалищном нерве лягушки, который был расположен на листе фильтровальной бумаги, смоченном раствором Рингера. С помощью регистрации фокальным электродом потенциалов, возникающих в разных точках проводящей среды в определенные моменты возбуждения нерва (например, при достижении вершины А (альфа)-пика ПД в средней части нерва), были получены картины электрического поля в проводящей среде вокруг активного нерва.

Рис. 1.21. Отведение пика распространяющегося ПД нерва лягушки электродами, расположенными в проводящей среде на некотором расстоянии от нерва Нерв помещен на фильтровальной бумаге,

пропитанной раствором Рингера; показаны формы ПД, регистрируемые в месте входа волны возбуждения в участок, который расположен на бумаге (1), в середине этого участка (2), в его конце (3) и за его пределами (4); объяснение см. в тексте

Представленная на рис. 1.21 схема — это изображение электрического поля на плоскости. Мысленно вращая рисунок вокруг оси нерва, можно получить соответствующее объемное поле. Важно заметить, что нерв в тот момент, когда он

парабиоза, может не пройти через него из-за рассмотренного дополнительного снижения ГФ и чем больше волокон синхронно возбуждено, тем вероятнее такой блок.

1.1.5. Межклеточные пространства в нервной системе

Сомадендритные комплексы нейронов и нервные волокна (аксоны) в ЦНС окружены глиальными элементами. Щели между клетками, как правило, не превышают 15 нм. Таким образом, объем межклеточной жидкости, с которым возбужденные нейроны осуществляют обмен ионами, невелик.

При возбуждении нейроны принимают из межклеточной жидкости Na+ (или Са2+) и отдают в нее К+, что может приводить при узости межклеточных щелей к изменению ионного состава межклеточной среды.

С помощью калийселективных микроэлектродов показано, что при ритмической активности нейронов мозга (как и мышечных волокон в мышцах) концентрация свободного К+ в прилежащих межклеточных щелях может возрастать до 10 ммоль/л и более. Это приводит к частичной деполяризации нейронов, вследствие чего возможно еще более сильное их возбуждение (судорожные разряды).

В поддержании концентрации К+ межклеточных щелей в допустимых пределах большую роль играют глиальные клетки (астроциты и др.).

Глиальные клетки не имеют электровозбудимости, т. е. соответствующих каналов для Na+ и Са2+, но обладают высокой проницаемостью для ионов калия (высокая РК). Их МПП приблизительно равен Ек (рис. 1.22) и, таким образом, достаточно точно отражает величину [К+]нар, что используют в экспериментах.

Рис. 1.22. Мембранный потенциал глиальной клетки (астроцита) и его зависимость от наружной концентрации К+. А — методика внутриклеточной регистрации мембранного потенциала; Б — зависимость МПП от [К+]НАР в стационарных условиях; В — изменения МП глиальной клетки при активации соседних нейронов одним и тремя импульсами (обозначены стрелками), приводящей к временному росту [К+] в межклеточной щели; Г — те же эффекты при ритмических раздражениях с различными частотами:1 — капилляр, 2 — «ножка» клетки. 3 — потенциометр, 4 — межклеточные щели, 5 — нейрон, 6 — глиальная клетка

Астроциты связаны друг с другом проницаемыми для ионов контактами и составляют синцитий, по которому может распределяться принятый избыток К+. Это явление обозначают как эффект пространственного буфера. По-видимому, аналогичную роль могут выполнять и другие нейроглиальные элементы, в частности шванновские клетки, окружающие периферические нервные проводники (у беспозвоночных, например у

кальмаров) или формирующие миелиновые муфты (у позвоночных). Глиальные элементы помимо отмеченных функций (изоляционной и участия в ионном гомеостазе) обладают и иными, например участие в обмене медиаторов.

1.1.6. Аксонный транспорт

Потенциалы действия, развивающиеся на плазматической мембране аксона или сомадендритного комплекса, оказывают стимулирующее действие на внутриклеточные процессы. Это связано с влиянием на ферменты клетки проникающих в нее ионов Na+ и особенно Са2+, действующих через специальный белок кальмодулин.

Таким образом, распространяющийся ПД влечет за собой быструю волну активации внутриклеточных процессов.

Вместе с тем внутри аксона (и других частей нервной клетки) происходят закономерные перемещения материалов (белковых частиц, органоидов), прямо не связанные с ПД и имеющие совсем другие скорости. Эти перемещения материалов хорошо изучены в аксонах; здесь они получили название аксонный транспорт. Существует два вида аксонного транспорта: быстрый и медленный.

Быстрый аксонный транспорт — это, например, транспорт везикул, митохондрий и некоторых белковых частиц от тела клетки к окончаниям аксона со скоростью у млекопитающих 250—400 мм/сут. Он осуществляется специальным транспортным механизмом. Этот транспорт не нарушается при отделении аксона от тела клетки, но прекращается при разрушении внутриаксонных структур — микротрубочек и нейрофиламентов (разрушение производится колхицином, винбластином), а также при отсутствии в аксоне АТФ и Са2+. В связи с этим предполагают, что механизм, осуществляющий этот быстрый транспорт, подобен механизму скольжения нитей при мышечном сокращении (см. разд. 1.2.4).

Считают, что нейрофиламенты перемещаются («скользят») вдоль микротрубочек, имеющих боковые выросты, которые, видимо, своими движениями и обеспечивают скольжение нейрофиламентов. Энергия для этого процесса извлекается из АТФ, расщепляемого ферментативно при объединении белковых структур нейрофиламентов и выростов микротрубочек в присутствии Са2+. Один из этих белков играет роль АТФазы. Транспортируемые частицы крепятся на нейрофиламентах и как бы перевозятся на них. Этот процесс можно наблюдать и в выдавленной из аксона аксоплазме.

Быстрый аксонный транспорт везикул (с медиатором для синапсов) происходит в дистальном направлении — антероградный транспорт. Существует и обратный — ретроградный — быстрый транспорт лизосом, везикул, мультивезикулярных тел, возникающих в окончаниях аксона в ходе пиноцитоза, который протекает с захватом некоторых веществ (например, ацетилхолинэстеразы, периферических факторов, регулирующих синтез белка в соме нейрона, а также некоторых вирусов, токсинов и пероксидазы хрена — маркера, используемого в экспериментах). Скорость этого транспорта ≈220 мм/сут (у млекопитающих). Скорости быстрого транспорта, и антероградного и ретроградного, не зависят от типа и диаметра аксона, хотя у холоднокровных (пойкилотермных) позвоночных они ниже, чем у теплокровных (гомойотермных).

Медленный аксонный транспорт — это перемещение всей массы белков цитоплазмы (микротрубочек, нейрофиламентов, РНК, каналов, насосов и т. п.) в дистальном направлении, создаваемое за счет интенсивных синтетических процессов в перикарионе. Медленный аксоток обнаруживает себя при тугой перетяжке нерва лигатурой, сдавливающей аксоны. При этом в дистальной части аксона диаметр уменьшается, а в проксимальной — перед перетяжкой образуется вздутие — «наплыв цитоплазмы».

Медленный аксоток движется со скоростью около 1—4 мм/сут. Он прекращается при отделении сомы от аксона и не нарушается факторами, разрушающими микротрубочки