Глава 2

ДЕПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ РЕЦЕПТОРНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

Существование локальных электрических реакций рецепторных структур отмечалось исследователями давно. Так, например, было описано (Frohlich, 1914, 1921) появление длитель­ной деполяризации чувствительных структур глаза головоногих моллюсков во время освещения. Такого рода факты, а также дан­ные общей нейрофизиологии, полученные на разнообразных сенсорных приборах, говорящие о тесных связях локальных и распространяющихся электрических реакций в различных нерв­ных элементах, позволили шведским физиологам сформулировать теорию генераторного потенциала (Bernhard et al., 1942; Bernhard, Granit, 1946; Granit, 1947, 1955). Согласно этой теории, во всех сенсорных структурах при действии на них адекватного стимула возникает локальный деполяризационный ответ — генераторный потенциал, который в свою очередь обусловливает появление в отходящем нервном волокне бегущих волн возбуждения, т. е. вызывает генерацию потенциалов действия. Указанная концеп­ция оказалась очень плодотворной для развития физиологии рецепторов. Хотя отдельные положения данной теории в дальней­шем подверглись уточнению, тем не менее в целом она получила полное подтверждение и повсеместное признание.

В современной литературе для обозначения локального ответа рецептора употребляют два основных термина: генераторный по­тенциал и рецепторный потенциал (Granit, 1955; Черниговский, 1960; Davis, 1961; Ильинский, 1964а, 1966г; Fuortes, 1971). Со­гласно предложению Девиса (Davis, 1961), которое принято большинством авторов, термин генераторный потенциал следует употреблять только в тех случаях, когда локальный электрический ответ рецептора, точнее локальные токи, лежащие в его основе, своим непосредственным действием вызывают появление импульс­ной активности в отходящем нервном волокне. В случае же, когда локальная электрическая реакция рецептора не ведет непосред­ственно к появлению импульсной активности в нерве (во вторич­ных рецепторах) или даже угнетает ее (например, при гиперполя­ризационном ответе), термин генераторный потенциал применять нельзя, ибо это противоречит смыслу, исходно вложенному в дан­ное понятие. Более правильным будет использование в этих слу­чаях термина рецепторный потенциал (РП), который может быть по знаку как негативным {деполяризационный, возбуждающий рецепторный потенциал}, так и позитивным (гиперполяризацион- ный, тормозный рецепторный потенциал) (см.: Ильинский, 1964а, 1965, 1966г). Так как негативные и позитивные локальные реакции первичных рецепторов часто наблюдаются в одной непрерывной реакции и следуют одна задругой, некоторые авторы в этих слу­чаях пользуются обозначениями деполяризационная и гиперполя­ризационная фазы рецепторного потенциала. Однако локальная де­поляризация и гиперполяризация могут появляться изолированно друг от друга, т. е. существовать самостоятельно. Поэтому лучше оперировать понятиями деполяризационный (возбуждающий) РП п синонимом его в случае первичных рецепторов — генераторный потенциал (ГП), а также термином гиперполяризационный (тор- мозпый) РП. Наконец, когда знак локальной реакции рецептора несуществен для изложения, мы будем пользоваться обычным названием: рецепторный потенциал (РП).

Как следует из теории генераторного потенциала, локальный электрический ответ является чрезвычайно важным звеном в цепи явлений, возникающих в сенсорном приборе при действии на него адекватного раздражения. Многие особенности в реакции рецепто­ров на раздражение связаны именно со свойствами РП. Поэтому исследователи уделяют его изучению очень большое внимание.

Как показали многочисленные исследования, электрические процессы, протекающие в рецепторах, являются неспецифиче­скими. Это проявляется в том, что качество воспринимаемых сен­сорной структурой стимулов не сказывается на характеристиках локальных и распространяющихся электрических ответов. Следо­вательно, выводы, сделанные на основе изучения электрических явлений, имеющих место в тех или иных рецепторных образова­ниях (например, механо- или фоторецепторах), могут быть распро­странены и на другие рецепторы. Следует признать, что значитель­ная часть сведений об общих свойствах РП, была получена в опытах именно на механорецепторах (см. обзоры: Granit, 1955; Kuf- I’ler, 1958, 1960; J. А. В. Gray, 1959а, 1959b; Loewenstein, 1959a, 1961a, 1965, 1966, 1971; Черниговский, 1960, 1967; Eyzaguirre, 1961; Inman, 1962; Ильинский, 1966д, 1966e, 1967, 1971, 1972a; Sato, Ozeki, 1966; Flock, 1971a, 1971b; Fuortes, 1971; Ottoson, Shepherd, 1971a).

Одной из основных проблем, существующих в области физио­логии рецепторов, является проблема первичных трансформацион­ных процессов. Следует отметить, что сейчас трудно сказать, имеет ли место во всех случаях подлинная в строгом смысле слова трансформация одного вида энергии в другой. Именно эти про­цессы, предшествующие развитию локальных электрических явле­ний, т. е являющиеся промежуточным звеном между адекватным! стимулом и РП, и определяют специфичность сенсорной струк­туры. Анализ этих процессов во многих рецепторах, в том числе* и механорецепторах, в настоящее время ведется еще очень мед­ленно, что связано с огромными техническими трудностями. По­этому сведения о трансформационных процессах приходится черпать из ряда косвенных показателей, в частности из особен­ностей РП (их характеристик, изменений их свойств под влиянием' различных физических и химических факторов и т. д.).

В некоторых чувствительных приборах, таких как хемо- и: фоторецепторы, существование процессов трансформации оче­видно. Это первичные и весьма специфические химические реак­ции, которые протекают в рецепторах под влиянием адекватных внешних стимулов (соответственно химических или -световых).. Совершенно ясно, что эти химические реакции следует различать» от последующих явлений и, в частности, от перемещений ионов; через мембрану рецептора, которые ведут к возникновению РП„ т. е. от процессов его генерации.

Цепь явлений, связанных с перемещением ионов через поверхностную- мембрану сенсорной структуры, можно называть процессами генерации' (Ильинский, 1964а, 1966г, см. также: Loewenstein, 1971). Несомненно, что явления, развивающиеся и на иных специализированных хемочувствитель- ных поверхностях клеток, таких как постсинаптические мембраны, также- можно разделять на процессы трансформации и генерации. Однако для избе­жания терминологической путаницы при рассмотрении вторичных рецепто­ров, где имеет место синаптическая передача, мы не будем использовать, термины трансформации и генерации в отношении постсинаптических обра­зований.

Процессы трансформации менее очевидны в рецепторах, вос­принимающих иные, нежели световые или химические, стимулы,, в частности в механорецепторах, однако осуществление транс­формации в механорецепторах сейчас не вызывает сомнения.. Говоря о механорецепторах, под трансформационными следует понимать процессы, возникающие в механочувствительном суб­страте рецепторов при действии деформирующих механических сил и приводящие к изменению проницаемости поверхностной рецепторной мембраны для ионов. Вероятно, благодаря существова­нию трансформационных процессов в рецепторах свойства мемб­ран сенсорных элементов существенно отличаются от|свойств; обычных мембран нервных клеток. В отношении механорецепто­ров это будет показано при дальнейшем изложении.

В этой главе будет рассмотрен деполяризационныиУрецептор- ный потенциал. Это основной вид локальных ответов рецептора. Его свойства изучены в настоящее время весьма детально. Иначе обстоит дело с гиперполяризационным рецепторным потенциалом. Он был обнаружен позднее, и его систематическое изучение только начинается. Исследования гиперполяризационного РП в механо­рецепторах тесно связаны с изучением явлений чувствительности данных сенсорных приборов к действию направления механиче­ского стимула, дирекционной чувствительности, й эти вопросы целесообразно излагать совместно. Изучение дирекционной чув­ствительности позволило понять некоторые важные механизмы действия механического раздражения на механорецепторы. По­этому рассмотрение дирекционной чувствительности в книге будет непосредственно предшествовать главе о механизмах дей­ствия механического раздражителя. В соответствии с данными главы 1 свойства РП будут рассматриваться раздельно для пер­вичных и вторичных механорецепторов.

Деполяризационные рецепторные потенциалы тканевых механорецепторов у позвоночных

При адекватном раздражении первичного механо­рецептора в отходящем нервном волокне (при отведении актив­ности вблизи от рецептора) наряду с импульсной активностью (потенциалами действия — ПД) удалось зарегистрировать и гра­дуальные деполяризационные ответы (рис. 21). Эти ответы отсут­ствовали, если регистрирующие электроды размещались на неко­тором расстоянии от рецепторов, и были максимальными при отведении потенциалов непосредственно от самого рецепторного образования (Katz, 1950b; Alvarez-Buylla, Ramirez de Arellano, 1953; J. A. B. Gray, Sato, 1953; Eyzaguirre, Kuffler, 1955a, 1955b). Гилло очевидно, что данный вид электрической активности явля­ется проявлением деятельности собственно рецептора, его рецеп­торным потенциалом (РП). Различные особенности РП первич­ных механорецепторов были тщательно изучены в экспериментах на тельцах Пачини, мышечных веретенах, рецепторах растяжения у ракообразных, волосковых механорецепторах у насекомых и ряде других образований.

Следует заметить, что хотя число работ, посвященных изуче­нию свойств РП в механорецепторах, прогрессивно нарастает от года к году, тем не менее оно составляет лишь малую часть всех исследований, проводимых на этих рецепторных образова­ниях, и, конечно, является совершенно недостаточным с точки зрения важности самой проблемы. Это хорошо видно на примере моханочувствительных нервных окончаний кожи, внутренних органов и особенно волосковых рецепторов органов чувств, где при общем чрезвычайно большом числе работ анализу особенно­стей РП посвящены лишь отдельные исследования, что является отражением прежде всего тех методических трудностей, с которыми сталкиваются экспериментаторы при изучении деятельности оди­ночных механорецепторов.

Рецепторные потенциалы в тельцах Пачини

При раздражении телец Пачини механическим сти­мулом в нервном волокне вблизи рецептора может быть зареги­стрировано два типа активности: локальный ответ (РП) и рас­

пространяющаяся волна возбуждения (ПД). В случае телец Пачини, так же как и ряда других механорецепторов, ПД сильно затруд­няет изучение РП, а иногда даже полностью его маскирует (рис. 21, В). Однако в рецепторах свойства структур, ответствен­ных за генерацию ПД {регенеративных структур), и структур,

Рис. 21. Локальные и распространяющиеся ответы различных механорецеп­торов (Л — по: Eyzaguirre, Kuffler, 1955а; Б — по: Shepherd, Ottoson, 1965; В — по: Ильинский, 1969д).

А — ответ медленно адаптирующегося рецептора растяжения у ракообразных (внутри­клеточное отведение). Стрелки — начало и конец растяжения. Отметка времени — 1 сек.; калибровка — 25 мв. Б — ответ мышечного веретена лягушки. Сверху вниз: биоэлектри­ческая активность; отметка раздражения (скорость растяжения — 130 мм/сек.). Отметка времени — 50 мсек. В — ответы телец Пачини на адекватное механическое раздражение небольшой длительности, а, б — отведение потенциалов в 2—3 мм от выхода нервного волокна из капсулы рецептора (а — амплитуда раздражения, пороговая для возникнове­ния ПД, б — амплитуда раздражения увеличена, РП полностью замаскирован развитием ПД); в — отведение потенциалов в области 2—3-го перехватов Ранвье (видны как РП, так и ПД); г — отведение потенциалов вблизи тельца Пачини (ПД блокированы ново­каином). Отметка времени: на а, б — 2, на в — 1.5, на г — 1 мсек. Калибровка: на а, б — 100, на в — 50, на г — 20 мкв.

ответственных за возникновение РП (нерегенеративных структур), оказались существенно различными.^V Это позволило с помощью различных методов блокировать ПД, сохраняя при этом РП. Блокировать ПД можно, например, с помощью небольших доз новокаина (рис. 21, В, г), тетродотоксина, с помощью механиче­ского сдавления начальной части мякотного волокна или аноди- ческой поляризации рецептора, а также нанося на рецептор через

короткий интервал два последовательных коротких стимула (.1. Л. В. Gray, Sato, 1953; Diamond, Gray, Sato, 1956; Loewen­stein, Altamirano-Orrego, 1958; Loewenstein, Rathkamp, 1958; Ильинский, 1963). В последнем случае второй стимул не вызывает появления спайка, так как он попадает в рефрактерный период после первого ПД. Однако при этом сохраняется РП (в этом со­стоит одно из существенных отличий РП от ПД). В подобного рода экспериментах весьма удобно сравнивать оба вида активности нервного окончания телец Пачини: ПД, вызванный на первое воздействие, и РП, вызванный на второе (рис. 22, 1-^3).

Рис. 22. Соотношение рецепторного потенциала (РП) и потенциалов дей­ствия (ПД) в тельцах Пачини (1—3 — по: Ильинский, 1963; 4 — по: Nishi, Sato, 1968).

Раздражение двумя последовательными толчками (записи с наложением). 1,2 — интакт­ный рецептор (интервал между стимулами уменьшается); з — частично декапсулирован- пый рецептор (первый стимул отсутствовал; в этом случае второй стимул вызывал появле­ние ПД); 4 — ответы декапсулированного тельца Пачини на стимулы возрастающей амплитуды. Сверху вниз: биоэлектрическая активность; отметка раздражения. Отметка времени: на 1—3 — 1, на 4 — 5 мсек.; калибровка: на 1—з — 120, на 4 — 100 мкв.

В ответ на механический стимул в тельце Пачини возникает РП, который распространяется вдоль нервного волокна с декре­ментом, из-за чего он на расстоянии далее чем 3—5 мм от рецептора не регистрируется. При раздражении тельца Пачини кратким толчком умеренной силы деполяризационный РП имеет довольно типичный вид (рис. 21, В, г). Он возникает после небольшого скрытого периода, плавно нарастает и затем плавно падает до нуля; фаза нарастания короче фазы спадения.

Изучение места возникновения РП в тельцах Пачини показало (Loewenstein, Rathkamp, 1958), что ни элементы наружной кап­сулы, ни элементы внутренней колбы не являются тем субстратом, который ответствен за появление РП. Удаление практически всей капсулы рецептора (на 99.99%), окружающей немиелинизи- рованное нервное окончание, не изменяло характера ответной реакции. При манипуляциях же с собственно немиелинизирован-

нои частью нервного окончания ответ резко изменялся или даже полностью блокировался. Так, передавливание окончания между зоной, куда наносилось раздражение, и точкой отведения пол­ностью блокировало появление РП. Дегенерация нервного окон­чания в результате предварительной перерезки уже через 24— 36 час. приводила к исчезновению РП, хотя элементы капсулы рецептора при этом сохранялись без заметных изменений. Не наб­людалось появления активности и при механическом раздражении миелинизированного нервного волокна, отходящего от рецептора.

пки

НО -

30-

20-

Все это позволило заклю­чить, что местом возникно­вения РП является соб­ственно немиелинизиро- ванная часть нервного окончания телец Пачини. К такому же выводу на основании многочислен-

Рис. 23. Зависимость ампли­туды рецепторного потенциала от силы раздражения (по: Ильинский, 1966а).

I | i | I По оси абсцисс — сила раздраже-

п 500 1ППП 1^пп 9ППО нт л ^ния <У^СЛ- ^ед-)^{; по оси} ординат —

и JUU 7UUU 7jUU ZUUUусл.е,',. амплитуда РП (мкв).

ных фактов пришли и другие исследователи (J. А. В. Gray, Sato, 1953; J. А. В. Gray, 1959а, 1959b; Ильинский, 1963, 1966а; Sato, Ozeki, 1966; Ильинский и др., 1968; Nishi, Sato, 1968).

Основной отличительной особенностью РП является его гра- дуальность. При увеличении силы раздражения амплитуда РП постепенно нарастает (рис. 22, 4 и 23). Существует представление, согласно которому в собственно рецепторной части нервного окон­чания имеется много независимых элементарных структур, каждая из которых может работать по принципу «все или ничего» (Loe­wenstein, 1961а; Ильинский, Фикс, 1963). В свете этого пред­ставления градуальность РП отражает постепенное вовлечение в процесс возбуждения все новых элементов рецепторной мембраны.

Поскольку градуальное возрастание РП возможно лишь до определенного предела (рис. 23), то наличие этого предела говорит о состоянии возбуждения всех рецептирующих элементарных структур нервного окончания. При очень больших величинах раздражения амплитуда РП снижается, что связано уже с необра­тимым повреждением рецептора. Диапазон смещений от порого­вых^VI до повреждающих для телец Пачини весьма велик: от сотых долей микрона до десятков микрон (J. А. В. Gray, Sato, 1953; Loewenstein, Rathkamp, 1958; J. A. В. Gray, 1959a; Loewenstein, 1965; Ильинский, 1966a). При усилении раздражения наряду с, повышением амплитуды увеличивается и скорость нараста­ния РП. Амплитуда и скорость нарастания РП при прочих равных условиях зависят и от скорости нанесения механического раздра­жения. Такая зависимость наблюдается при скорости нарастания стимула менее 1—3 мкм/сек. (J. А. В. Gray, Sato, 1953; J. А. В. Gray, 1959а; Ильинский, 1965, 1966а; Nishi, Sato, 1968). При этом между скоростью нарастания РП и скоростью нарастания раздра­жения имеется линейная зависимость. Скорость нарастания РП продолжает увеличиваться и тогда, когда амплитуда ответа до­стигает максимума. Это имеет место как в интактных, так и де- капсулированных рецепторах (Nishi, Sato, 1968).

Измерение абсолютной величины РП в тельцах Пачини произ­вести не удается из-за малого диаметра немиелинизированной части нервного окончания. Сопоставление РП и ПД нервного волокна показало, что величина деполяризационного РП может достигать 80—95% от амплитуды спайка или даже равняться ПД (рис. 22) (Ильинский, 1963; Nishi, Sato, 1968). Следует учесть, что величина спайка в области 1—2-го перехватов Ранвье обычно несколько меньше, чем на некотором расстоянии от рецептора. С другой стороны, истинная величина РП в точке возникновения больше, чем в месте отведения, так как РП распространяется с дек­рементом и приходит к регистрирующим электродам, расположен­ным в области первых перехватов Ранвье, несколько уменьшен­ным. Учитывая связь РП с мембранным потенциалом, исследова­тели склонны считать величину максимального деполяризацион­ного РП примерно равной потенциалу покоя нервного окончания (Loewenstein, Altamirano-Orrego, 1958; J. А. В. Gray, 1959а; Ильинский, 1963).

При увеличении амплитуды и скорости нарастания раздраже­ния наряду с изменением амплитуды и скорости нарастания РП изменяется его латентный период Д который постепенно укорачи­вается. Минимальный латентный¹период появления РП (при отведении потенциала в месте выхода нервного волокна из капсулы рецептора) составляет при комнатной температуре 0.20 мсек. (J. А. В. Gray, Sato, 1953), а при температуре тела животного — примерно 0.15 мсек. (Ильинский, 1966е). Минимальное же время возникновения РП в точке раздражения равняется всего лишь 0.05—0.06 мсек. (Ильинский, 1966г), что существенно меньше минимального времени синаптической задержки (Eccles, 1957, 1964). Короткий латентный период возникновения РП является одним из доводов для подтверждения, что тельца Пачини являются первичными рецепторами, т. е. рецепторами, у которых восприя­тие механического раздражения осуществляется непосредственно нервным окончанием, а не окружающими его элементами внутрен­ней колбы (J. А, В, Gray, 1959а; Ильинский, 1966г, 1966е),

При раздражении телец Пачини механическими стимулами с крутым передним фронтом возникает РП с весьма короткой фазой нарастания (1—2 мсек, при комнатной температуре и 0.6—1.0 мсек, при температуре тела животного) и более длитель­ной фазой спадения. Разрушение РП происходит экспоненциально. Длительность РП у разных рецепторов варьирует и равняется 2—8 мсек. (J. А. В. Gray, Sato, 1953; J. А. В. Gray, 1959а; Loewen­stein, 1958; Ильинский, 1962, 1963). Как длительность, так и фаза нарастания РП существенно зависят от скорости нарастания раздражающего стимула (рис. 24) и практически не зависят от длительности статического компонента воздействия (рис. 25). При раздражении рецептора как кратким, так и продолжительным прямоугольным стимулом временное течение РП было примерно одинаковым. Такая особенность телец Пачини обусловлена не­которыми свойствами капсулы рецептора, благодаря которым к нервному окончанию проходит только динамическая составляю­щая стимула. После удаления капсулы нервное окончание начи­нает генерировать деполяризационные РП, длящиеся в течение всего периода действия стационарной деформации (Mendelson, Loewenstein, 1964; Loewenstein, Mendelson, 1965; Ozeki, Sato, 1965; Ильинский, 1966a; Nishi, Sato, 1968). Подробнее этот во­прос, относящийся к проблеме адаптации, будет рассмотрен в главе 4.

Если тельца Пачини с неповрежденной капсулой раздражали длительными стимулами, то возникновение ответа наблюдалось не только в момент включения раздражения (рп-ответ), но и при его выключении (pff-omeem) (рис. 25, 2). Механизмы данного явле­ния, также зависящие от свойств вспомогательной структуры ре­цептора (свойств капсулы), будут рассмотрены ниже (стр. 120).

При нанесении на интактный рецептор двух последовательных стимулов можно зарегистрировать два РП. Меняя силу толчков и интервалы между ними, удалось обнаружить суммацию обоих РП, а также депрессию второго РП. Это же можно продемонстри­ровать и в опытах с изменением продолжительности достаточно долго длящегося стимула при взаимодействии on- и off-ответов (J. А. В. Gray, Sato, 1953; Diamond et al., 1958a; Loewenstein, Altamirano-Orrego, 1958; Ильинский, 1966д).

Анализ этих явлений проводился на декапсулированных рецепторах. При раздражении интактного тельца Пачини воздействие более или менее равномерно распределяется на всю поверхность немиелинизированного нерв­ного окончания. При декапсуляции рецептора можно с помощью соответствую­щих устройств, вибраторных систем (на базе пьезокристаллов или электро­магнитов), имеющих на конце стержень с различной площадью кончика (вплоть до 1 мкм), локально раздражать отдельные участки нервного оконча­ния. Такая возможность избирательного воздействия на отдельные области рецепторной структуры отсутствует при работе с другими механорецепто­рами. Поэтому значительная часть аналитических исследований на тельцах Пачини проводилась после удаления капсулы рецептора. Детали техники экспериментирования с одиночными тельцами Пачини приведены в ряде

Рис. 24. Изменения рецепторного потенциала в зависимости от скорости на­несения механического стимула (по: Ильинский, 1966а).

< >'г а до е скорость нанесения стимула уменьшается. Длительность ответа увеличивается. Негативный ответ наблюдается лишь в момент действия заднего фронта толчка. Перед­ний фронт либо не вызывает никаких изменений потенциала (д, е), либо вызывает появле­ние позитивных ответов (а—г). Сверху вниз: отметка раздражения; РП. Отметка времени — !» мсек.; калибровка — 30 мкв.

Рис. 25. Влияние длительности раздражения на рецепторные потенциалы телец Пачини (ПД блокирован новокаином) (по: Ильинский, 1966а).

_ один, е — другой рецептор. От а до д длительность раздражения возрастает. Сверху вниз — то же, что на рис. 24. Отметка времени: на а—д — 5, на е — 4 мсек.; ка­либровка — 40 мкв.

Q Физиология механорецепторов

источников (Gray, Malcolm, 1950, 1951a, 1951b; J. A. B. Gray, Sato, 1953; Loewenstein, Altamirano-Orrego, 1958; Loewenstein, Rathkamp, 1958; Ильин­ский, 1963, 19646, 1966a, 19666; Mendelson, 1964; Ильинский, Кудрин, 1967).

Проведенный анализ показал, что в основе суммации и депрес­сии лежат эффекты, связанные с пространственным взаимодей­ствием возбужденных участков рецепторной мембраны, а не ка­кие-либо особенности вспомогательных структур (Loewenstein, 1959b). Как видно из рис. 26, раздражение в различной последо­вательности двумя стимулами, прикладываемыми к нервному окончанию, может привести как к суммации обоих РП — при раздражении различных участков _Й>рецепторной поверхности

* У - у 7 2 j \ 1

Л— riflag \ / дав 1 дпд

■ЧЕЗ® четг -лете

Рис. 26. Пространственная суммация рецепторных потенциалов в нервном окончании телец Пачини (по: Loewenstein, 1959а).

А — схема независимой стимуляции двух участков (7, 2) мембраны декапсулированного нервного окончания тельца Пачини; В — РП в области миелинизированного нервного волокна, а — изолированное раздражение участка 1; б — изолированное раздражение участка 2', в — одновременное раздражение участков 1 и 2\ г — последовательное раздра­жение участков 1 и 2 с интервалом в 1 мсек.; д — повторное раздражение участка 1 с ин­тервалом в 1 мсек. Отметка времени — 1 мсек.; калибровка — 50 мкв.

(рис. 26, в—г), — так и к депрессии второго РП — при воздей­ствии на одно и то же место рецептора (рис. 26, д). Эти данные говорят о том, что процессы, развертывающиеся на рецепторной мембране Л носят локальный характер.

В пользу такого представления говорят и другие факты, по­лученные на декапсулированных рецепторах. Если раздражать один из участков мембраны ритмическими стимулами большой частоты, можно через некоторое время получить значительное снижение величины РП. Соседний же участок мембраны, который ритмически не раздражался, при этом сохраняет все свои свойства неизмененными. Наконец, при раздражении одного конца нервного окончания тонкой микроиглой и отведении потенциалов с помощью микроэлектрода, помещаемого на различном расстоянии от точки приложения механического стимула, выяснилось, что амплитуда РП закономерно уменьшается по мере увеличения расстояния (Loewenstein, 1961а). Логарифм амплитуды деполяризационного

Pit и расстояние оказались связанными линейно, т. е. вели­чина РП с расстоянием уменьшалась экспоненциально. Точно так же уменьшалась амплитуда электрического сигнала, который в специальных опытах с помощью микроэлектрода наносился на обнаженное нервное окончание вместо механического толчка (рис. 27). Такой характер изменения сигнала означает, что струк­туры немиелинизированной части нервного окончания в тельцах Пачини, ответственные за возникновение РП, не обладают реге­неративными свойствами (не взаимодействуют между собой) и являются электрически невозбудимыми (подробнее см. стр. 275).

Величина РП зависит от раздражаемой площади нервного окончания (Loewenstein, 1961а), что естественно вытекает из дан­ных, согласно которым возбуждение одного участка мембраны

не сказывается на сосед­них. При уменьшении раз­дражаемой поверхности

Рис. 27. Зависимость ампли­туды рецепторного потенциала от расстояния до точки раздра­жения (по: Loewenstein, 1965). По оси абсцисс — расстояние между точкой раздражения и точкой ре­гистрации ответов (мм); по оси ординат — амплитуда потенциа­лов (мв). Точки — амплитуда РП, вызванного механическим стиму­лом; крестики — амплитуда элек- тротонического потенциала, вызван­ного электрическим импульсом.

величина максимального РП снижается, характер же зависимо­сти амплитуды РП от силы воздействия сохраняется. Используя понятие площади, эту зависимость можно охарактеризовать так: генераторный ток возрастает нелинейно, его рост замедляется с увеличением площади возбужденной мембраны (Loewenstein, 1961а, 1971).

Представление, согласно которому рецепторную поверхность следует рассматривать как «мозаичное» образование, составлен­ное из отдельных элементов (конечно, в функциональном отноше­нии, а не в прямом смысле этого слова), позволило провести рас­смотрение деятельности рецептора методами математического мо­делирования (Loewenstein, 1961а; Ильинский, Фикс, 1963). При этом аналог каждого элемента функциональной «мозаики», ее эле­ментарная ячейка (ею мог быть, например, отдельный канал через мембрану), наделялся следующими свойствами: он работал независимо от соседних элементов по принципу «все или ничего» и, следовательно, мог находиться либо в состоянии покоя, либо в состоянии возбуждения. Результаты теоретических расчетов и экспериментальные данные оказались в удовлетворительном соот­ветствии. Однако следует признать, что сделанные оценки явля-

раздражения имел симметричный

лись приближенными и основывались на моделях, носящих феноменологический характер.

При нанесении на тельце Пачини повторных раздражений небольшой частоты (один толчок в секунду и реже, так что взаимо­действие между последовательными ответами отсутствовало) ока­залось, что несмотря на строго постоянную величину механиче­ских стимулов, амплитуда и скорость нарастания РП варьировали (Ishiko, Loewenstein, 1959; Loewenstein, 1961а; Ильинский, Фикс, 1963; Ильинский, 1966а). Такие флуктуации параметров РП носили случайный, хаотический характер, и график распределе­ния индивидуальных значений амплитуды РП для каждой силы

вид. Величина флуктуаций была весьма значительной и на­много превышала обычные флуктуационные явления в нервном волокне (величина стандартного отклонения суб-

Рис. 28. Соотношение между уров­нем длительного обусловливаю­щего рецепторного потенциала (F_c) и параметрами быстрого те­стирующего ответа (V_s) (по: Ozeki, Sato, 1965).

По оси абсцисс — уровень обусловли­вающего РП (мкв); по оси ординат: слева — амплитуда тестирующего РП (мкв), справа — время полуразруше­ния (мсек.)- Черные кружки — У , белые кружки — t. На врезке — схема измеряемых параметров РП.

максимального РП от среднего значения могла, например, достигать 8%). По мере увеличения интенсивности раздражения величина флуктуаций нарастала, а затем, достигнув максимума, снижалась, что объясняется нелинейным характером связи между амплитудой РП и силой раздражения: в области больших величин воздействия прирост амплитуды ответов уменьшается (Loewenstein, 1961а).

Явление депрессии второго РП, возникающего в разные пе­риоды после начала первого ответа, исследовалось более подробно японскими авторами (Ozeki, Sato, 1965). Эти исследователи по­казали, что величина депрессии зависит от амплитуды первого РП. Если же опыт проводился на декапсулированном рецепторе и в ответ на первое раздражение достаточной длительности возникал определенный деполяризационный РП, то второй РП, появляю­щийся на фоне этой деполяризации, уменьшался не только по ве­личине, но и по длительности (рис. 28). При этом укорачивалась длительность именно периода разрушения РП (время полуразру­шения, оцениваемое по нисходящей фазе РП, уменьшалось на ¹/₄—¹/₅). Если учесть, что время разрушения РП определяется постоянной времени рецепторной мембраны, и считать, что ем­кость мембраны не претерпевает существенных изменений в ходе возбуждения, то можно заключить, что в период развития РП сопротивление мембраны значительно снижается, т. е. проницае­мость мембраны для ионов увеличивается.

При раздражении тельца Пачини стимулами большой ампли­туды с крутыми фронтами нарастания и спада можно было отме­тить появление множественных деполяризационных РП, каждый из которых мог вызвать появление ПД (Sato, 1961; Ильинский, 1965, 1966в). По мнению Сато, данные реакции обусловливаются свойствами рецепторной мембраны. Наряду с этой возможностью, которая действительно имеет место в тельцах Пачини (возникно-

отмечалось уменьшение^амплитуды РП (рис. 29). Величина й дли­тельность этой посттетанической депрессии были тем больше, чем длительнее раздражался рецептор и чем больше была ампли­туда и частота стимулов. При этом увеличение частоты с 1 до 200 стимулов в 1 сек. вызывало крутое снижение амплитуды РП. Максимум депрессии РП достигался при частоте 800 стимулов в 1 сек. (Loewenstein, Cohen, 1959b). Вместе с тем в части экспе­риментов величина РП после тетанизации увеличивалась. Такая посттетаническая потенциация наблюдалась у рецепторов, в от­ветах которых была мало выражена следовая негативность, а также можно было обнаружить явления гиперполяризации (например, следовую позитивность). Детально указанное явление не исследовалось, однако имеются основания полагать, что уве­личение амплитуды РП может быть следствием гиперполяриза­ционных сдвигов мембранного потенциала нервного окончания. Подробное рассмотрение гиперполяризационных ответов телец Пачини и причин их возникновения будет проведено в гла­ве 10.

Антидромная ритмическая стимуляция рецептора (электриче­ское раздражение наносилось на афферентное нервное волокно) не вызывала, по данным одних авторов (Loewenstein, Cohen, 1959b), сколько-нибудь заметных последующих изменений в величине деполяризационного РП. По другим же данным (Sato, Ozeki, 1963), механический стимул, нанесенный сразу вслед за антидром­ным ПД, вызывал появление РП несколько меньшей амплитуды, чем в норме.

РП рецепторов по многим своим параметрам сходны с постси­наптическими потенциалами (ПСП). Явления посттетанического облегчения, в основе которых также лежат явления гиперполяри­зации, неоднократно отмечались при исследовании синапсов (см. обзоры: Hughes, 1958; Eccles, 1964). В этих же исследованиях было установлено, что при ритмическом раздражении синапсов наблюдаются и эффекты депрессии, которые носят более выражен­ный характер, чем в рецепторах. По мнению Экклса, происходит одновременное функционирование двух антагонистических фак­торов: кратковременной потенциации и более длительной депрес­сии. Из представленных данных следует, что сходные явления потенциации и депрессии достаточно хорошо проявляются и в ме­ханизме деятельности рецепторов, которые, однако, возбуждаются адекватными механическими стимулами.

Рецепторные потенциалы в мышечных веретенах

/

Хотя изучение физиологических особенностей дан­ного типа рецепторов протекает весьма интенсивно, тем не менее следует признать, что литература содержит значительно меньшее количество фактов о функционировании этих сенсорных приборов, чем об их строении. И в первую очередь это касается особенностей локальных явлений, развертывающихся при раздражении мышеч­ных веретен.

Впервые РП мышечных веретен был описан в опытах на лягуш­ках (Katz, 1950b). Затем РП веретен был зарегистрирован у млеко­питающих (котят) (Lippold et al., 1960а). В дальнейшем основные работы по изучению свойств РП проводились почти исключительно на лягушках (Ottoson, 1961, 1964, 1965а, 1965b; Ottoson, Shepherd, 1965, 1968, 1969, 1970b, 1970с, 1971b; Shepherd, Ottoson, 1965; Husmark, Ottoson, 1970, 1971b; см. также обзор: Ottoson, Shep­herd, 1971a). В последнее время появились первые, пока еще предварительные данные и на изолированных веретенах у млеко­питающих (Hunt, Ottoson, 1973). Так же, как и в случае телец Пачини, исследования РП веретен удобно проводить на рецепторах, импульсная активность которых блокирована новокаином или другим достаточно избирательно действующим на импульсную активность агентом.

По сравнению с деполяризационным РП тельца Пачини, РП мышечного веретена обладает существенным отличием: этот потенциал поддерживается в течение всего времени стационар­ного воздействия на рецепторы (рис. 21, Б). И в течение всего периода существования деполяризации рецептора возникает им­пульсная активность. Таким образом, мышечное волокно явля­ется структурой, прекращение активности которой (адаптация) развивается относительно медленно.

Хотя в настоящее, время нет еще прямых данных, говорящих о том, что РП генерируется именно в разветвлениях немиелини­зированных нервных окончаний веретена, тем не менее практи­чески все авторы склоняются к этой точке зрения. Так, например, локальное раздражение различных участков веретена с помощью микроиглы показывает, что основное афферентное нервное во­локно и его миелинизированные разветвления являются относи­тельно нечувствительными к механическому воздействию, в то время как полярные области веретена обладают высокой чувстви­тельностью (Ottoson, Shepherd, 1971а). По мнению⁴* Катца (Katz, 1961), механические воздействия сказываются прежде всего па сенсорных колбах, которые погружены в интрафузальные мышечные волокна. Тонкие нервные волокна (порядка 0.15 мкм), соединяющие сенсорные колбы, по-видимому, выполняют роль только проводников. В результате электротонического распро­странения по немиелинизированным проводникам локальный ответ рецептора достигает мякотного нервного волокна, где и мо­жет быть зарегистрирован. Естественно, что при таком способе регистрации абсолютная величина РП в зоне его возникновения пока остается неизвестной.

В РП мышечного веретена, как и в локальных ответах других медленно адаптирующихся рецепторов, различают два компонента: динамический и статический. Первый определяется динамической составляющей раздражения, а второй — статической (Katz, 1950b). Для первичных окончаний динамическая фаза РП намного выше, чем для вторичных (Hunt, Ottoson, 1973). При снятии раздраже­ния деполяризация рецептора сменяется кратковременной гипер­поляризацией — возникает гиперполяризационный off-ответ (Katz 1950b; Lippold et al., 1960a; Hunt, Ottoson, 1973). У изолирован­ных рецепторов эта гиперполяризация обычно наблюдается лишь после прекращения сильного раздражения (Ottoson, Shepherd, 1971а). Деполяризационный off-ответ, аналогичный описанному в тельцах Пачини, в мышечных веретенах не наблюдается. При на­несении на мышечное веретено стимулов большой продолжитель­ности можно отметить некоторое снижение величины РП в ходе действия раздражителя. Этот факт, а также существование двух компонентов РП позволяет поставить вопрос о явлениях адапта­ции, возникающих в мышечном веретене при его раздражении (см. главу 4).

Как и в случае телец Пачини, предшествующие РП мышечных веретен могут оказывать угнетающее действие на последующие локальные ответы (Ottoson et al., 1969). Явление депрессии было тем больше и продолжительнее, чем больше была величина и дли­тельность первого ответа. Этот эффект, по-видимому, определя­ется, с одной стороны, электрическими характеристиками рецеп­торной мембраны, а с другой — механическими свойствами ве­ретена.

Временное течение разрушения РП зависит от скорости сня­тия растяжения, а также от длительности и силы воздействия (Ottoson, Shepherd, 1970а). Можно показать, что оно^ определя­лось как электрическими свойствами рецепторной мембраны и мембраны нервного волокна, расположенного между * областью генерации РП и местом его регистрации, так и механическими особенностями вспомогательного аппарата рецептора (скоростью возвращения его к своему исходному состоянию).

Увеличение интенсивности раздражения ведет к прогрессив­ному возрастанию амплитуды динамической и статической фаз РП (Katz, 1950b). При этом динамическая фаза ответа растет быстрее. Она достигает максимума (при достаточно высокой скорос1и раздражения) уже при удлинении рецептора на 30% относительно его длины в покое (рис. 30). В области больших амлитуд воз­действия линейная зависимость между РП и раздражением нару­шается. Общий ход изменения динамического компонента РП при варьировании величины раздражения напоминает кривую зависимости амплитуды РП телец Пачини от силы раздраже­ния, что, возможно, говорит в пользу существования сходных механизмов генерации динамических ответов в этих механоре­цепторах.

Статический компонент РП во всем диапазоне растяжений линейно связан с амплитудой воздействия, монотонно возрастая при усилении раздражения (рис. 30), и может достигнуть тех же значений, что и динамическая реакция. Однако при этом потре­

буется удлинение веретена более нем на 100%, которое приводит к необратимому повреждению рецептора (Ottoson, Shepherd, 1965). При перераздражении возможно появление платообразного ди­намического ответа, который начинает уменьшаться до конца стимула. Это находит отражение в ослаблении импульсного раз­ряда, который в этот период прерывается (Husmark, Ottoson, 1970). Такого рода тормозная пауза может иметь место и в актив­ности других рецепторов, например электрорецепторов, что го­ворит о достаточной универсальности рассматриваемого явления.

При оценке деятельности мышечных веретен существенно знать влияние такого параметра раздражения, как напряжение. Из ра-

Рис. 30. Зависимость между силой раздражения и ампли­тудой динамической и стати­ческой фаз РП мышечного веретена лягушки (по: Otto­son, Shepherd, 1971а).

По оси абсцисс — амплитуда растя­жения (мкм); по оси ординат — амплитуда РП (мв). Черные круж­ки — динамический, белые — стати­ческий компонент ответа. Исходная длина покоящегося веретена — 0.9 мм.

бот старых авторов (Weber, 1846; Fechner, 1862) было известно, что самооценка испытуемым силы своего ощущения пропорцио­нальна логарифму амплитуды раздражающего воздействия. Это хорошо было продемонстрировано Вебером у человека на при­мере механорецепции (опыты с использованием дозированных грузов, а также точно задаваемых звуковых стимулов). Именно эти данные заставили предположить существование такого рода зависимости между раздражителем и ответами сенсорных при­боров. Электрофизиологические методы позволили изучить это явление в опытах на одиночных сенсорных приборах. На примере одиночного механорецептора — мышечного веретена лягушки — такого рода исследование было проведено Мэтьюзом (Matthews, 1931а), который действительно обнаружил, что частота разряда рецептора пропорциональна логарифму величины нагрузки (рис. 31, Б). В дальнейшем было показано (Katz, 1950b), что ча­стота разряда линейно отражает стационарную фазу деполяри­зационного РП (рис. 31, Л). Таким образом, стало возможным утверждать существование линейной зависимости между логариф­мом нагрузки, прилагаемой к мышечному веретену, и величиной стационарной рецепторной деполяризации мышечного веретена. Это удалось потом подтвердить и прямыми экспериментами (Hus- inark, Ottoson, 1970). В этой же работе была показана и экспо­ненциальная зависимость напряжения от длины веретена, т. е. такое же соотношение, какое существует й в целой мышце 1949; Matthews, 1959). Таким образом, интрафузальные мышеч­ные волокна в данном отношении по своим свойствам существенно не отличаются от экстр афуз ал ьных.

Динамическая фаза рецепторного ответа (рис. 32) в значитель­ной степени зависш от скорости нарастания раздражения (Katz, 1950b). При одной и той же амплитуде воздействующего стимула ее величина линейно связана с логарифмом скорости растяжения (Ottoson, Shepherd, 1965; Husmark, Ottoson, 1970). Скорость нарастания РП в ходе одиночного ответа прямо пропорциональна скорости растяжения в диапазоне менее 200 мкм/сек. (Katz, 1950b),

Рис. 31. Зависимость частоты разрядов мышечного веретена лягушки от величин рецепторного потенциала (4) и нагрузки (Б) (А — по: Katz, 1950b; Б — по: Matthews, 1931а).

По оси абсцисс': на А — амплитуда стационарной фазы РП (мв), на Б — логарифм вели­чины нагрузки в граммах; по оси ординат — частота разрядов (ими./сек.).

Вопрос о происхождении различных фаз РП до настоящего времени не выяснен. Впервые Мэтьюзом (Matthews, 1931а) было высказано предположение, что различные области веретена обла­дают разными вязко-упругими свойствами, что может быть при­чиной появления динамического и статического компонентов от­вета. Позднейшие исследования с помощью электронного микро­скопа (Katz, 1961; Karlsson et al., 1966) действительно показали существование в веретене лягушки двух областей: ретикулярной и компактной. Наличие в ретикулярной зоне большого количества соединительнотканных элементов говорит об иных механических свойствах этой зоны по сравнению с компактной. Отсюда возникла гипотеза, что ретикулярная область веретена ответственна за по­явление динамической фазы РП, а компактная — за появление статической (Katz, 1961). Имеются факты, говорящие, что данное

объяснение приложимо и к веретенам млекопитающих (R. S. Smith, 1966; ср.: Hunt, Ottoson, 1973). Обзор данных в пользу указанной гипотезы дал Мэтьюз (Matthews, 1964, 1972). Тем не менее объяс­нить возникновение динамической составляющей ответа исклю­чительно свойствами ретикулярной области, а статической — свойствами компактной области, по-видимому, нельзя (Ottoson, Shepherd, 1968, 1970а). Это следует, в частности, из эксперимен­тов с избирательным разрушением отдельных частей веретена (Ottoson, Shepherd, 1971).

Рис. 32. Сопоставление динамической фазы рецепторного потенциала мышеч­ного веретена лягушки (Л) со скоростью растяжения рецептора (/>) (по: Ottoson, Shepherd, 1970с).

По оси абсцисс — время (мсек.); по оси ординат: на А — амплитуда РП (мв), на Б — величина удлинения рецептора (мкм),

При обсуждении происхождения различных фаз РП мышеч­ного веретена следует учесть и еще одно обстоятельство общего характера. Дело в том, что наличие динамической и статической фаз РП обнаружено в самых разных. сенсорных структурах, на' пример в механорецепторах разных типов: рецепторах растяжения у ракообразных (Eyzaguirre, Kuffler, 1955а; Loewenstein et al., 1963; Nakajima, Onodera, 1969b), волосковых рецепторах у на­секомых (Thurm, 1965b; Smola, 1970b), фоторецепторах (Fuortes, Poggio, 1963; Stieve, 1965; Baumann, 1968; Fuortes, 1971), хемо­рецепторах (Tucker, Shibuya, 1965). Фазный и тонический ком­поненты импульсного разряда описаны для многих рецепторов, воспринимающих различные виды стимулов, в том числе для термо­рецепторов (Hensel, 1953, 1973), электрорецепторов (Murray, 1962, 1965а; Акоев, Ильинский, 1973; Акоев, Жадан и др., 1974), хеморецепторов (Beidler, 1961), рецепторов, воспринимающих болевые раздражители (Dodt, 1954), и т. д. Частота же импульсной активности в определенном диапазоне линейно связана с величи­ной РП.

Таким образом, можно считать, что динамическая и статиче­ская фазы локального ответа рецептора являются весьма универ­сальным свойством РП вообще и вспомогательные структуры не могут быть единственным фактором, определяющим их возникно­вение. Можно предполагать, что за возникновение различных компонентов РП ответственны и какие-то фундаментальные свой­ства рецепторных мембран. Кроме того, фазно-тонический характер ответа может наблюдаться даже в некоторых нервных волокнах при действии на них постоянного электрического тока (Hodgkin, 1948). Следовательно, в формировании динамического и стати­ческого компонентов «узора» разряда могут определенным обра­зом участвовать и элементы регенеративной системы генерации.

Характеристики РП различных типов мышечных веретен, а также первичных и вторичных нервных окончаний млекопита­ющих в настоящее время только начинают исследоваться (Hunt, Ottoson, 1973). Об особенностях РП пока обычно судят лишь по свойствам импульсных разрядов, которые будут рассмотрены ниже.

♦ ♦ *

Таким образом видно, что рецепторные потенциалы различных первичных механорецепторов имеют много сходных свойств. Основное же различие между ними заключается в том, что неко­торые (фазные) механорецепторы (типа телец Пачини) могут гене­рировать РП лишь в период действия динамического компонента раздражения; другие же (тонические) рецепторы (типа мышечных веретен) могут генерировать РП также и в период действия стати­ческой фазы воздействия.

Деполяризационные рецепторные потенциалы механорецепторов органов чувств позвоночных

Хотя важность изучения локальных ответов воло­сковых рецепторов органов чувств несомненна, однако трудности методического характера являются причиной того, что в настоящее время они исследованы еще совершенно недостаточно. При этом, если в отношении суммарной активности рецептирующих клеток, выраженной в так называемых микрофонных потенциалах, в ли­тературе имеются довольно многочисленные данные, то ответы одиночных волосковых рецепторов только начинают изучаться.

Микрофонные потенциалы впервые были обнаружены в кор- тиевом органе кошки (Wever, Bray, 1930), а затем в органах слуха других млекопитающих, в том числе и у человека (Гершуни и др., 1937). В дальнейшем они были описаны в различных структурах

лабиринта (Bleeker, Vries, 1949; Trincker, 1957; Furukawa, Ishii, 1967a, 1967b) и в органах боковой линии (Bleeker, Vries, 1949; Jielof et al., 1952; Kuijper, 1956 — цит. no: Flock, 1965). Они реги­стрируются при внеклеточном расположении отводящих электро­дов и в ряде случаев повторяют форму механического воздействия. Именно поэтому они в органе слуха вначале и получили название микрофонного эффекта улитки.

В отношении происхождения микрофонного потенциала в ли­тературе существовали длительные споры. Некоторые авторы склонны были считать его даже чисто физическим явлением, т. е. не связанным со свойствами рецепторов сенсорных структур. Действительно, наличие раздела между двумя средами может при механическом воздействии привести к появлению феноменов, сходных с микрофонными потенциалами (Bekesy, 1960). Однако было показано, что такого рода причины могли бы быть ответст­венны только за часть ответа, наблюдаемого в органах чувств (в ор­гане слуха примерно за 15—20% амплитуды ответа). Основная же часть микрофонных потенциалов несомненно отражает нормальную деятельность рецепторных элементов и именно те процессы, раз­витие которых приводит в конечном счете к возникновению воз­буждения в афферентных нервных волокнах (подробнее о микро­фонных потенциалах см: Bekesy, 1960; Davis, 1960, 1962, 1965; Tasaki, 1960; Hawkins, 1964; Flock, 1965a, 1965b, 1971a; Kat- suki, 1965; Wever, 1966; Молчанов, Радионова, 1972; Dallos, 1973). Полагают, что микрофонные потенциалы генерируются в области основания волосков, на апикальной поверхности рецептирующих клеток (Davis, 1960). Так как микрофонные потенциалы, как по­лагают сейчас (см.: Flock et al., 1973b), в основной своей части образованы за счет локальных электрических процессов, которые протекают в рецепторах при действии на них механических сти­мулов, то некоторые характеристики микрофонных ответов могут быть полезными для оценки свойств РП сенсорных структур орга­нов чувств.

Микрофонные потенциалы возникают с небольшим латентным периодом (около 0.1 мсек.), что сходно с величиной скрытого пе­риода РП других механорецепторов, например телец Пачини при регистрации локального ответа вблизи места возникновения (см. стр. 79). Микрофонные потенциалы развиваются без видимого порога, и величина их градуально возрастает по мере усиления раздражения, что также характерно для обычных РП. Частота микрофонных потенциалов может повторять частоту раздражаю­щего воздействия, но может и отличаться от нее. Так, они следуют за частотой синусоидального стимула, наносимого на область ампулярной кристы (Bleeker, Vries, 1949), но отличаются от ча­стоты раздражающих стимулов, удваиваясь при воздействии на структуры боковой линии (Flock, Wersall, 1962). Эта особенность микрофонных потенциалов обусловлена тем обстоятельством, что волосковые рецепторы являются асимметрично организован-

ними структурами: их киноцилия (или ее эквивалент — базальное тельце) расположена сбоку, асимметрично по отношению к стере- оцилиям (см. стр. 47). Оказалось, что волосковая клетка способна возбуждаться лишь при раздражении, направленном от стерео- цилий к киноцилии, и угнетаться при обратном направлении стимула (Lowenstein, Wersall, 1959). Важно, что знак генерируе­мого ею РП менялся при изменении направления воздействия: деполяризация сменялась гиперполяризацией. Амплитуда в по­следнем случае была, возможно, меньше, чем при деполяризации (Flock, 1965b).

В разных сенсорных образованиях ориентация клеток может" быть различной. Поэтому если в пределах данной сенсорной струк­туры все волосковые клетки однонаправлены (например, в crista ampullaris все киноцилии ориентированы одинаково), то микро­фонные потенциалы воспроизводят частоту синусоидального воз­действия. Напротив, если волосковые клетки ориентированы в раз­ных направлениях, то микрофонные потенциалы, отражающие их суммарную активность, могли иметь иную частоту, чем раздра­жающий стимул. В органах боковой линии, где волосковые клетки распадаются на две группы, ориентированные в противоположные стороны, в ответной реакции наблюдается удвоение частоты раз­дражения как следствие суммации де- и гиперполяризационных сдвигов потенциала. Причем деполяризационные ответы преобла­дали над гиперполяризационными. Подробнее явление чустви- тельности механорецепторов к направлению действия раздраже­ния, в основе которого могут лежать разные причины,, в том числе изменение знака РП, будет рассмотрено далее в главе 10.

Микрофонные потенциалы очень чувствительны к недостатку кислорода, и значительная их часть в органе слуха быстро исче­зает после смерти животного (Bekesy, 1960). В органе слуха, где существует значительная постоянная разность потенциалов между отдельными частями сенсорного прибора (так называемый эндолимфатический, или эндокохлеарный, потенциал — подроб­нее о нем см. стр. 344), микрофонные колебания накладываются на этот постоянный потенциал, вызывая его модуляцию.

В самые последние годы начали появляться первые сообщения, касающиеся прямого микроэлектродного изучения свойств воло­сковых механорецепторов органов чуств (Harris et al., 1970; Flock, 1971a, 1971b; Flock, Russell, 1973; Flock et al., 1973a, 1973b; Mulroy et al., 1974; Weiss et al., 1974). В экспериментах Флока с соавторами на волосковых клетках боковой линии было установлено, что в покое мембранный потенциал варьирует от 10 до 65 мв. Сопротивление мембраны равно 10—100 мом (в среднем 40 мом). Имеется прямая зависимость между величиной мембрац- ного потенциала, обнаруженного в клетке, и сопротивлением мем-: браны. Волосковые рецепторы и опорные клетки имеют примернд одинаковые электрические параметры. При величине поверхности мембраны водорцрроц клетки примерно 1000 мкм² удельцод gg-

н

противление мембраны равняется около 1000 ом/см². Великина удельной емкости мембраны менее 0.3 мкф/см² (Flock et al., 1973а, 1973b). Постоянная времени мембраны не превышает 0.2 мсек. Таким образом, волосковый рецептор обладает способностью отвечать на стимулы килогерцевого диапазона и средней интен­сивности без амплитудных искажений. Вместе с тем механоре- цепторный орган боковой линии как целое имеет резонансную частоту в естественных условиях в районе 100 гц. Таким образом, частотное ограничение системы осуществляется не на уровне рецепторов, а за счет окружающих их элементов, взаимодей­ствующих с водой.

Волосковые механорецепторы не способны отвечать импульс­ной активностью. Они генерируют только градуальные ответы. Волосковые механорецепторы являются электрически чевозбу-

Рис. 33. Изменение рецепторного потенциала волосковой клетки боко­вой линии протея (Necturus macu- losus) в зависимости от направления смещения купулы (по: Flock, 1971а). Сверху вниз'. РП (внутриклеточная запись); отметка перемещения купулы относительно начального (н) положения. Отметка вре­мени — 5 сек.; калибровка — 5 мв.

димыми (Flock et al., 1973b). Величина РП волосковых клеток сравнительно невелика. У рецепторов боковой линии она дости­гала лишь 1—2 мв (Flock et al., 1973а), а во внутреннем ухе — 3 мв (Weiss et al., 1974).

В работе Вейса и др. был зарегистрирован многокомпонентный рецепторный потенциал сенсорных волосковых клеток. Основной колебательный компонент ответа возникал с латентным временем 0.5 мсек., и его полярность изменялась при изменении полярности стимула. В опорных вспомогательных клетках были зарегистри­рованы ответы, аналогичные некоторым компонентам реакции волосковых клеток. Наличие таких ответов в опорных клетках позволяет предположить существование электрической связи между волосковыми и опорными клетками и дает возможность славить вопрос о латеральном электрическом взаимодействии между этими клетками. (У рецепторов же боковой линии если эта связь и существует, то в небольшой степени: Flock et al., 1973а). I (олярность основного начального компонента ответа рецепторных структур может быть различной у разных клеток, что, по-види­мому, обусловлено различной ориентацией волосковых рецепторов по отношению к направлению действия стимула.

Зависимость полярности ответа от направления раздражения особенно хорошо была видна в опытах на волосковых клетках бо­ковой линии протея (рис. 33). При этом изменение положения рецепторов относительно истопника раздражения на 180⁶ меняло полярность ответа данной клетки на противоположную (Harris et aL, 1970; Flock et al., 1973b). Таким образом, гипотеза о зависи­мости характера ответов волосковых механорецепторов органов чувств от их ориентации по отношению к направлению действия раздражения получила в настоящее время прямое подтверждение в эксперименте.

Как следует из морфологических данных, между волосковой клеткой и окончаниями сенсорного нейрона имеется синаптиче­ская связь, причем пресинаптическим элементом является воло­сковая клетка. С помощью микроэлектродов удалось зарегистри­ровать возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) немиелинизированных окончаний сенсорного нейрона (см., напр., в главе 5 рис. 81) (Flock, 1973; Flock et al., 1973b). В покое наблюдается спонтанное возникновение ВПСП, что, возможно, обусловлено спонтанным выделением медиатора из волосковой клетки. При нанесении раздражения на рецептирующую клетку отмечается синхронизация ВПСП афферентных волокон со стиму­лами (см. в главе 3 рис. 59).

Природа медиатора, переносящего возбуждение с волосковых клеток на афферентные волокна, еще неясна. В последнее время показано, что медиатор в синапсах волосковых клеток с афферент­ными окончаниями иной, чем в синапсах этих же клеток с эффе­рентными волокнами (Flock, 1973). Так как эфферентными волок­нами выделяется, по-видимому, ацетилхолин (см. об этом более подробно в главах 5 и 8), то следует заключить, что волосковые клетки выделяют другое вещество.

Деполяризационные рецепторные потенциалы механорецепторов у беспозвоночных

Рецепторные потенциалы в рецепторах растяжения у ракообразных

С момента открытия этих механорецепторов (А1е- xandrowicz, 1951) они и по сей день являются одним из основных объектов, на которых проводится изучение свойств рецепторов и нервных клеток вообще и механорецепторов в частности. Круп­ный размер этих нейронов и их локализация позволяют вводить в них микроэлектроды под контролем микроскопа. Фактически до самого последнего времени это был единственный вид механо­рецепторов, у которого свойства РП исследовались не только с по­мощью внеклеточных записей, но и при внутриклеточных отведе­ниях.

Изучение свойств РП рецепторов растяжения было осущест­влено в классических работах 50-х годов (Eyzaguirre, Kuffler, 1955а, 1955b), за которыми последовали исследования и других авторов (Krnjevic, Gelder, 1961; Terzuolo, Washizu, 1962; Edwards ot al., 1963; Wendler, 1963; Nakajima, 1964; Obara, Grundfest, 1968; Nakajima, Onodera, 1969b).

При растяжении мышечного рецепторного органа (МРО) возни­кает деполяризация сенсорного нейрона (рис. 21, Л), которая яв­ляется РП данного механорецепторного прибора (Eyzaguirre, Kuffler, 1955а). РП генерируется в дендритных разветвлениях под влиянием деформации, оказываемой мышечными волокнами. От места возникновения РП электротонически распространяется на тело сенсорного нейрона и отходящий от него аксон — нервное волокно, где и возникают ПД (Edwards, Ottoson, 1958). Величина

Рис. 34. Характеристика рецепторных потенциалов и импульсной активности медленно адаптирующегося рецептора растяжения у ракообразных (по: Terzuolo, Washizu, 1962).

А — зависимость РП от величины растяжения мышечного пучка у рака. По оси абсцисс — длина мышечного пучка (мм); по оси ординат — амплитуда РП (мв). Б, В — зависи­мость частоты импульсной активности от величины нагрузки и растяжения мышечного пучка у лангуста. По оси абсцисс: на Б — логарифм величины нагрузки в граммах; на В — длина мышечного пучка (мм); по оси ординат — частота импульсной активности (имп./сек.).

РП градуально возрастает при увеличении раздражения (Eyza­guirre, Kuffler, 1955а). Она связана линейной зависимостью с длиной мышечных волокон рецептора, а также с логарифмом приложенной нагрузки, так как между величиной растяжения рецепторной мышцы и логарифмом напряжения существует пря­мая зависимость (рис. 34) (Terzuolo, Washizu, 1962). По другим данным (Nakajima, Onodera, 1969b), между растяжением и ампли­тудой РП линейная зависимость существует лишь в небольшом диапазоне величин РП (10—20 мв), в целом же кривая имеет S-образный вид.

Амплитуда РП оказалась прямо пропорциональной величине мембранного потенциала клетки (Terzuolo, Washizu, 1962). Опре­деление величины равновесного потенциала для РП не может счи­таться завершенным. По одним данным (Terzuolo, Washizu, 1962), он лежит в пределах от —10 до 0 мв; по другим (Obara, 1968) — в пределах от —20 до —30 мв. Согласно же данным экспериментов с фиксацией потенциала (Klie, Wellhdner, 1973), он имеет положи­тельное значение (порядка +25 мв), хотя точную его величину авторы определить не смогли.

Измерение электрических характеристик рецепторных нейро­нов в покое показало, что средний мембранный потенциал МРО_Х равнялся —50 мв (Terzuolo, Washizu, 1962); по данным других авторов, он колебался от —70 до —80 мв (Eyzaguirre, Kuffier, 1955а; ОЬага, 1968; Nakajima, Onodera, 1969а; Klie, Wellhdner, 1973). Постоянная времени мембраны MPOi составляет около 14— 15 мсек. (Terzuolo, Washizu, 1962); по другим данным — 13.3 мсек, для МРО_Х и 10.4 мсек, для МРО₂ (Nakajima, Onodera, 1969а). Сопротивление мембраны варьирует от 3.1 до 4.0 мом (Terzuolo, Washizu, 1962; Nakajima, Onodera, 1969a). Общая емкость мем­браны равняется (3.4—3.2)-10"⁹ ф (Nakajima, Onodera, 1969а).

При растяжении рецептора электрические параметры изменя­лись параллельно величине воздействия. При максимальном раз­дражении (перерастяжении) мембранный потенциал снижался в среднем до 24 мв, постоянная времени — до 7—8 мсек., сопротив­ление— до 1.5 мом (Terzuolo, Washizu, 1962). Соответственно при уменьшении растяжения все величины изменялись в меньшей степени. Таким образом, можно считать, что при генерации РП проницаемость мембраны возрастает.

Как показали опыты, прежде всего увеличивается проницае­мость для ионов натрия, которые в первую очередь и являются ответственными за генерацию деполяризационного РП (Edwards et al., 1963).

При достаточно быстром нанесении раздражения форма РП практически не отличается от РП, описанного у мышечного вере­тена: вначале возникает динамическая фаза ответа, за которой следует статическая фаза. При снятии раздражения может иметь место гиперполяризационный off-ответ, который более выражен у предварительно растянутых рецепторов (Nakajima, Onodera, 1969b).

Уже самые первые электрофизиологические исследования (Wiersma et al., 1953; Kuffier, 1954; Eyzaguirre, Kuffier, 1955a, 1955b) показали, что рецепторы растяжения ракообразных могут быть разделены на два типа: медленно и быстро адаптирующиеся (МРО_Х и МРО₂). Первые отвечали в течение всего периода действия растяжения, а также часто обладали фоновой ритмической актив­ностью. Вторые же, напротив, отвечали всплеском импульсной активности в момент включения раздражения и затем обычно пре­кращали генерацию спайков. Однако после блокирования ПД и исследования одних лишь РП было установлено, что амплитуд­ные характеристики РП обоих типов рецепторов практически не отличались друг от друга и их временное течение было сходным. Следовательно, различия между двумя типами рецепторов опре­

деляются спаикогенерирующими структурами, а не свойствами нерегенеративных систем, определяющих возникновение РП.

При одной и той же величине растяжения РП у МРО_Х был больше, чем РП, регистрируемый в МРО₂ (примерно в 2 раза). Однако если оценивать величину растяжения по отношению к исходной длине (а размер покоящейся РМ₂ больше, чем PMJ, то следует признать, что чувствительность обоих МРО была сходной (Naka- jima, Onodera, 1969b). Аналогичный результат был получен и при измерении чувствительности по стимулирующему напряжению. 11 |)и оценке, основанной на учете лишь величины усилия, действую­щего на РМ, показатель чувствительности MPOj оказывается в 5 раз больше, чем аналогичный показатель для МРО₂. Однако по­перечное сечение РМ_Х значительно меньше, чем РМ₂. Удельная же величина напряжения (усилия на единицу поперечного сечения РМ) была в обоих случаях примерно одинаковой. Именно это дало основание утверждать, что одно и то же воздействие на дендриты PK_t и РК₂ приводит к генерации примерно одинакового РП (Na- kajima, Onodera, 1969b).

Рецепторные потенциалы

в кутикулярных волосковых рецепторах

насекомых (Wolbarsht, 1960; Thurm, 1964а, 1965b; Smola, 1970b). В этих ра­ботах было установлено, что РП чувствительных

Среди исследований, посвященных изучению свойств PI I , имеются немногочисленные работы, выполненные на сенсиллах

Рис. 35. Деполяризационный рецепторный потенциал чув­ствительной волосковой клетки насекомых (А — по: Thurm, 1965b; Б — по: Smola, 1970b).

Л — сенсилла у пчелы (1,2 — два примера регистрации при разной скорости развертки). Сверху вниз: PH (записи с наложением); угол наклона волоска. Ступенчатое из­менение, на восходящей фазе РП — отражение возникновения первого НД. Отметка времени: на 1 — 10, на 2 — 100 мсек.; калибровка — Ю мв. В — ветрочувствительные рецепторы у азиатской саранчи. Сверху вниз: РП; период стимуля­ции (черная линия). Угол отклоне­нии волоска — 17.3°. Отметка времени — 1 сек.; калибровка — 10 МВ.

волосковых клеток насекомых имеет хорошо выраженную дина­мическую и статическую фазы (рис» 35). Амплитуда ответа гра­дуально возрастает по мере увеличения раздражения (угла на­клона волоска). Для динамического компонента ответа эта зави­симость имеет S-образный вид, в то время как статическая составляющая РП меняется при изменении стимула более линейно.

Латентный период РП равняется примерно 0.1 мсек. В части случаев он может быть больше, но не превышает 0.2 мсек. При вы­ключении раздражения могут возникать гиперполяризационные сдвиги потенциала. Возникающий РП приводит к уменьшению ответа на второй стимул (Thurm, 1965b). Снижение амплитуды динамической фазы второго РП наблюдается как в ходе генерации первого РП, так и после него.

Таким образом, можно заключить, что РП волосковых кути­кулярных механорецепторов беспозвоночных по своим основным характеристикам практически не отличается от РП других механо­рецепторных приборов.

Рецепторные потенциалы в волосковых механорецепторах статоциста

В последнее время появились данные о РП волоско­вых чувствительных клеток статоциста моллюска Hermissenda crassicornis (Alkon, Bak, 1973). При внутриклеточном отведении был зарегистрирован деполяризационный РП, возникавший в от­вет на механическое раздражение со скрытым периодом, менее 2 мсек. Величина деполяризационного РП могла достигать 40 мв. В определенном диапазоне раздражений величина РП была ли­нейно связана с логарифмом амцлитуды смещений. Она зависела от величины мембранного потенциала клетки. Потенциал ревер­сии равнялся 30—35 мв. В период возникновения деполяризацион­ного РП (генераторного потенциала) проводимость клеточной мембраны для ионов возрастала. (В покое сопротивление мембраны варьировало от 30 до 100 мом). Генераторный потенциал вызывал появление импульсной активности, частота которой линейно свя­зана с величиной локальной деполяризации.

При ритмическом раздражении статоциста в ответ на каждый краткий стимул возникал РП. При увеличении частоты воздействия до 10 в 1 сек. отдельные РП могли суммироваться. При более высоких частотах раздражения ответы вначале суммировались, а затем прогрессивно уменьшались по величине. Авторы полагают, что волосковая клетка может отвечать на смещение независимо от его скорости. Адекватным стимулом они считают сгибание сенсорного волоска вне зависимости от скорости этого про­цесса.

Таким образом, можно заключить, что деполяризационный РП и этого механорецепторного прибора в целом сходен с аналогич­ными ответами других рассмотренных ранее рецепторов.

* * *

Существующие в настоящее время данные позволяют говорить о принципиальном сходстве основных особенностей рецепторных потенциалов самых разных механорецепторов позвоночных и бес­позвоночных животных вне зависимости от того, являются ли эти механорецепторные приборы первичными или вторичными. Этими основными чертами РП являются прежде всего градуальный ха­рактер возникновения и способность к суммации. РП возникают с кратким латентным периодом, позволяющим говорить об отсут­ствии промежуточного медиаторного механизма между механи­ческим стимулом и процессом генерации РП. РП тонических ре­цепторов имеет динамические и статические фазы, а у фазных ре­цепторов наблюдается только динамический компонент ответа.

Как у первичных, так и у вторичных механорецепторов отме­чается наличие гиперполяризационных рецепторных потенциалов. Имеется связь этих потенциалов с направлением действия раздра­жителя. Этот вопрос более подробно будет рассматриваться в главе 10.