Проведение нервного импульса
Структура нервного волокна. Проведение нервных импульсов является специализированной функцией нервных волокон, т.е. отростков нервных клеток.
Нервные волокна разделяют на мякотные, или миелинизированны, и безмякотные, или немиелинизированные. Мякотные, чувствительные и двигательные волокна входят в состав нервов, снабжающих органы чувств и скелетную мускулатуру; они имеются также в вегетативной нервной системе. Безмякотные волокна у позвоночных животных принадлежат в основном симпатической нервной системе.
Нервы обычно состоят как из мякотных, так и из безмякотных волокон, причём соотношение между числом тех и других в разных нервах различное. Например, во многих кожных нервах преобладают безмякотные нервные волокна. Так, в нервах вегетативной нервной системы, например в блуждающем нерве, количество безмякотных волокон достигает 80-95%. Наоборот, в нервах, иннервирующих скелетные мышцы, имеется лишь относительно небольшое количество безмякотных волокон.
Как показали электронно-микроскопические исследования, миелиновая оболочка создаётся в результате того, что миелоцит (шванновская клетка) многократно обёртывает осевой цилиндр (рис. 2.28.), слои её сливаются, образуя плотный жировой футляр – миелиновую оболочку. Миелиновая оболочка через промежутки равной длины прерывается, оставляя открытыми участки мембраны шириной примерно 1 мкм. Эти участки получили название перехватов (перехватов Ранвье).
Рис. 2.28. Роль миелоцита (шванновской клетки) в образовании миелиновой оболочки в мякотных нервных волокнах. Показаны последовательные стадии спиралеобразного закручивания миелоцита вокруг аксона (I). Взаимное расположение миелоцитов и аксонов в безмякотных нервных волокнах (II).
Длина межперехватных участков, покрытых миелиновой оболочкой, примерно пропорциональна диаметру волокна. Так, в нервных волокнах, имеющих диаметр 10-20 мкм, длина промежутка между перехватами составляет 1-2 мм. В наиболее тонких волокнах (диаметром 1-2 мкм) эти участки имеют длину около 0,2 мм.
Безмякотные нервные волокна не имеют миелиновой оболочки, они изолированы друг от друг только шванновскими клетками. В простейшем случае одиночный миелоцит окружает одно безмякотное волокно. Часто, однако, в складках миелоцита оказывается несколько тонких безмякотных волокон (рис. 2.28.).
Миелиновая оболочка выполняет двоякую функцию: функцию электрического изолятора и трофическую функцию. Изолирующие свойства миелиновой оболочки связаны с тем, что миелин как вещество липидной природы препятствует прохождению ионов и потому обладает очень высоким сопротивлением. Благодаря существованию миелиновой оболочки возникновение возбуждения в мякотных нервных волокнах возможно не на всём протяжении осевого цилиндра, а только в ограниченных участках – перехватах Ранвье. Это имеет важное значение для распространения нервного импульса вдоль волокна.
Трофическая функция миелиновой оболочки, по-видимому, состоит в том, что она принимает участие в процессах регуляции обмена веществ и роста осевого цилиндра.
Проведение возбуждения в немиелинизированных и миелинизированных нервных волокнах. В безмякотных нервных волокнах возбуждение распространяется непрерывно вдоль всей мембраны, от одного возбуждённого участка к другому, расположенному рядом. В отличие от этого в миелинизированных волокнах потенциал действия может распространяться только скачкообразно, «перепрыгивая» через участки волокна, покрытые изолирующей миелиновой оболочкой. Такое проведение называется сальтаторным.
Прямые электрофизиологические исследования, проведённые Като (1924), а затем Тасаки (1953) на одиночных миелинизированных нервных волокнах лягушки, показали, что потенциалы действия в этих волокнах возникают только в перехватах, а участки между перехватами, покрытые миелином, являются практически невозбудимыми.
Плотность натриевых каналов в перехватах очень велика: на 1мкм2 мембраны насчитывается около 10 000 натриевых каналов, что в 200 раз превышает плотность их в мембране гигантского аксона кальмара. Высокая плотность натриевых каналов является важнейшим условием сальтаторного проведения возбуждения. Рисунок 2.29. позволяет понять, каким образом происходит «перепрыгивание» нервного импульса с одного перехвата на другой.
Рис. 2.29. Сальтаторное распространение возбуждения в мякотном нервном волокне от перехвата к перехвату. Стрелками показано направление тока, возникающего между возбуждённым (А) и соседним покоящимся (Б) перехватов.
В состоянии покоя наружная поверхность возбудимой мембраны всех перехватов Ранвье заряжена положительно. Разности потенциалов между соседними перехватами не существует. В момент возбуждения поверхность мембраны перехвата А становится заряженной электроотрицательно по отношению к поверхности мембраны соседнего перехвата Б. Это приводит к возникновению местного (локального) электрического тока, который идёт через окружающую волокно межтканевую жидкость, мембрану и аксоплазму в направлении показанном на рисунке стрелкой. Выходящий через перехват Б ток возбуждает его, вызывая перезарядку мембраны. В перехвате А возбуждение ещё продолжается и он на время становится рефрактерным. Поэтому перехват Б способен привести в состояние возбуждения только следующий перехват В и т.д.
«Перепрыгивание» потенциала действия через межперехватный участок оказывается возможным только потому, что амплитуда потенциала действия в каждом перехвате в 5-6 раз превышает пороговую величину, необходимую для возбуждения соседнего перехвата. При определённых условиях потенциал действия может «перепрыгнуть» не только через один, но и через два межперехватных участка. Такое наблюдается, в частности, в том случае, если возбудимость соседнего перехвата снижена каким-либо фармакологическим агентом, например новокаином, кокаином и др.
Предположение о скачкообразном распространении возбуждения в нервных волокнах впервые было высказано Б.Ф. Вериго (1899). Такой способ проведения имеет ряд преимуществ по сравнению с непрерывным проведением в безмякотных волокнах: во-первых, «перепрыгивая» через сравнительно большие участки волокна, возбуждение может распространяться со значительно большей скоростью, чем при непрерывном проведении по безмякотному волокну того же диаметра; во-вторых скачкообразное распространение является энергетически более экономным, поскольку в состояние активности приходит не вся мембрана, а только её небольшие участки в области перехватов, имеющие ширину менее 1 мкм. Потери ионов (в расчёте на единицу длины волокна), сопровождающие возникновение потенциала действия в таких ограниченных участках мембраны, очень невелики, а следовательно, малы и энергетические затраты на работу натрий-калиевого насоса, необходимые для восстановления изменённых ионных соотношений между внутренним содержимым нервного волокна и тканевой жидкостью.