1.1.4. Электрическое раздражение и распространение возбуждения

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

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

В натриевом канале существуют и инактивационные (h) ворота. Из схемы положений т— и h—ворот при разных фиксированных МП (см. рис. 1.18) следует, что m—ворота закрыты при нормальном МП и гиперполяризации, но открываются при деполяризации; h—ворота открыты при нормальном потенциале мембраны и гиперполяризации, но закрываются при деполяризации. Выше было указано, что если бы в Na—каналах при деполяризации т— и h—ворота срабатывали одновременно, то Na—каналы не могли бы открыться.

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

Причины существования критического уровня деполяризации. В условиях клампа процент каналов с открытыми m—воротами плавно растет с деполяризацией. Как же при этом объясняют наличие резко обозначенного КУД и порога для ПД? Рассмотрим некоторые подробности протекания ионных токов при развитии электротонических потенциалов, ЛО и ПД и прежде всего токов, текущих через мембрану нервного волокна в клампе при разных уровнях МП (рис. 1.20).

На уровне мембранного потенциала покоя трансмембранных токов нет. При гиперполяризации возникает пассивный ток утечки, направленный внутрь. При слабых деполяризациях регистрируется ток утечки, идущий наружу. Если МП фиксировать на более низких уровнях (усилить деполяризацию), то к току утечки добавляются I_Na, направленный внутрь, и I_K, идущий наружу. Возникает алгебраическое сложение токов, в котором I_Nа < I_K ⁺ I_у При еще более сильной деполяризации I_Na > I_K + I_у Суммарный трансмембранный ионный ток здесь имеет входящее направление.

Важно обратить внимание на точку на оси потенциалов, где I_Nа = I_K + I_у. Что же происходит в нервном волокне при указанных сдвигах МП в естественных условиях?

В области гиперполяризации и очень слабой деполяризации, где действуют только токи утечки, развиваются неосложненные электротонические потенциалы, пропорциональные стимулам. В области слабой деполяризации, где I_Na < I_K + I_у, к катэлектротоническому (деполяризационному) потенциалу добавляется ЛО (см. рис. 1.16). Это связано с тем, что током Na⁺ частично компенсируется утечка деполяризующего тока «мимо» мембранной емкости. Локальный ответ тем больше, чем сильнее деполяризующий толчок, так как тем больше в нем доля I_Na. Амплитуда ЛО варьирует от 0 до 20 мВ, суммарный ток при этом имеет выходящее направление и не поддерживает, а ослабляет деполяризацию. Здесь нет саморазвития процесса деполяризации.

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

Величина МП, при которой I_Na = I_K + I_у, соответствует КУД, а если считать от исходного значения МП, то порогу раздражения. Для коротких стимулов в этой пограничной точке равновероятно, что процесс изменения МП пойдет на убыль (ЛО) или произойдет лавинообразное развитие деполяризации и инверсия знака потенциала мембраны (ПД). Так возникает резкая граница между подпороговыми и сверхпороговыми деполяризациями.

Рис. 1.20 Соотношение значения различных трансмембранных токов при кратких деполяризациях в методике фиксации потенциала

Общий ток имеет значение, равное разности входящего натриевого тока и выходящих токов (калиевого и утечки). Критический уровень деполяризации (КУД) разделяет области преобладания выходящих токов (подпороговую) и входящего тока (сверхпороговую).

Величина КУД зависит от чувствительности m—ворот натриевых каналов к деполяризации (φ—потенциал на рис. 1.18, А). Последняя тем больше, чем меньше концентрация Са²⁺ в среде, и наоборот. Это объясняется влиянием Са²⁺ на состояние поверхности мембраны. Но КУД зависит также и от концентрации натрия в среде [Na⁺]_нар и от процента исходно инактивированных Na—каналов. Чем больше этот процент, тем меньше I_Na, a значит, тем большая нужна поляризация (КУД) для развития ПД. Наружный Са²⁺ препятствует инактивации натриевых каналов. Таким образом, влияние Са²⁺ на КУД сложно. Так как I_k и I_y ослабляют действие I_Na, то для величины КУД имеет значение также состояние специфических калиевых каналов и каналов тока утечки.

Рис. 1.21 Значение направления электрического тока, его силы и крутизны для раздражения (т. е. вызова ПД)

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

Законы электрического раздражения нервных и мышечных элементов.

Полярный закон: раздражение обеспечивается только деполяризующим внешним током, т. е. внешним током выходящего направления.

Именно такой ток деполяризует мембрану — снижает мембранный потенциал (рис. 1.21). В случае приложения к объекту двух внешних раздражающих электродов полярный закон гласит: при включении тока раздражение возникает в области катода (здесь ток имеет выходящее направление). Для внутриклеточного раздражения при включении тока необходимо, чтобы внутриклеточный электрод имел положительный знак.

Для получения ответа в форме ПД необходимо, чтобы сила раздражающего тока имела пороговое или сверхпороговое значение, т. е. чтобы МП падал до КУД или еще более. Смысл этого «закона порога» уже разъяснен выше; Необходимо лишь отметить, что пороговая деполяризация мембраны (U_пор) равна МП — КУД, а пороговая сила тока (I_пор) составляет U_пор/R_вх, где R_вх — входное сопротивление объекта для электрического тока. И если, к примеру, в некотором объекте МП = —70 мВ, КУД = —50 мВ, a R_вх = 20 МОм, то U_пор ⁼ 20 мВ, а I_пор= 20 мВ/20 МОм = 1 • 10^—9 А.

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

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

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

Относительно высокая аккомодационная способность моторных нервных волокон определяется главным образом мощной медленной активацией части их калиевых каналов, порождаемой длительной деполяризацией мембраны.

Рис. 1.22 Значение длительности толчка тока (стимула) для его раздражающего действия

А — рост порога при укорочении прямоугольного деполяризующего толчка; Б — кривая зависимости порогового значения I от его длительности (t) и ее параметры: 1.2.3 — толчки тока (стимулы) и вызываемые ими катэлектротонические потенциалы.

Если Р_К заранее блокируют ТЭА, то аккомодационная способность моторных волокон ослабляется и приближается к таковой у чувствительных волокон.

Пороговая сила деполяризующего тока (но не КУД!) в известной мере зависит от длительности действия раздражающего тока. Эта зависимость выражается кривой силы—длительности порогового раздражения (рис. 1.22).

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

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

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

Рассмотрим действие длительного подпорогового толчка деполяризующего тока (рис. 1.23). Такой ток в процессе действия вызывает физический катэлектротон, т. е. постоянно поддерживающееся сниженное значение МП. Применяя на этом фоне дополнительные краткие деполяризации, можно измерить

Рис 1.23 Изменение мембранного потенциала и критического уровня деполяризации при действии длительных токов разного направления

А — при деполяризации; Б — при гиперполяризации: АрР — анодоразмыкательное раздражение при сниженном пороге, КД — катодная депрессия (рост порога), ФАэт — физиологический анэлектротон (порог повышен), ФКэт — состояние физиологического катэлектротона (порог снижен); стрелками указаны текущие величины порога раздражения.

порог при катэлектроне (I_пор). Впервые моменты он снижен, так как снижен МП при неизменном КУД. Это снижение порога называют физиологическим катэлектротоном. Но при длительном катэлектротоне порог растет из—за сильного смещения КУД в позитивную сторону. Это катодная депрессия, связанная с инактивацией Na—каналов.

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

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

Изменение электровозбудимости при возбуждении. Электровозбудимость обратно пропорциональна порогу электрического раздражения; ее обычно измеряют на фоне покоя. При возбуждении эта величина изменяется. Изменение электровозбудимости в ходе развития пика ПД и после его завершения включает последовательно несколько фаз.

1. Абсолютная рефрактерностъ, т. е. полная невозбудимость, определяемая сначала полной занятостью «натриевого» механизма, а затем инактивацией натриевых каналов (это примерно соответствует пику ПД).

2. Относительная рефрактерностъ, т. е. сниженная возбудимость, связанная с частичной натриевой инактивацией и развитием калиевой активации. При этом порог повышен, а ответ (ПД) снижен.

3. Экзальтация (повышенная возбудимость, супернормальность, появляющаяся от следовой деполяризации).

4. Субнормальность (пониженная возбудимость), возникающая от следовой гиперполяризации. Амплитуды ПД на фазе следовой негативности несколько снижены, а на фоне следовой позитивности — несколько повышены.

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

Фазы измененной возбудимости, сопровождающие развитие ПД, определяют возможности ритмической активности нервной клетки (волокна).

Максимально возможный ритм активности, лимитированный длительностью абсолютной рефракторной фазы (АРФ), часто обозначают как показатель лабильности (Л) — функциональной подвижности (Н. Е. Введенский). У нервных волокон показатель Л достигает 400 в 1 с.

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

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

Рис. 1.24 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 злектротонических изменений МПП вдоль волокна (l) в моменты включения (t1), протекания (t2) и выключения (t3) тока; /, II — процессы возникновения и исчезновения электротона;

Г — развитие электротонического эффекта прямоугольного стимула (Ст) во времени для точек l₀ и l₁.

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

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

В шарообразной клетке Rвх ≈ Rм/S, где Rм — удельное сопротивление мембраны, S — площадь мембраны (сопротивлением аксоплазмы R_I можно пренебречь). В нервном волокне, о котором идет речь здесь и далее, ток, подаваемый от точечного источника (рис. 1.24), проходит через всю мембрану, но имеет разную плотность вблизи и вдали от электрода. В этом случае, в отличие от шарообразной клетки, R_вх определяется довольно сложной формулой:

где Rм и R_I — удельные сопротивления мембраны и аксоплазмы. Из этой формулы следует, что Rвх сильно зависит от d — диаметра волокна, а именно: Rвх ≈ 1/√d³.

Действительно, при одной и той же силе тока электротонические изменения на мембране тем больше, чем тоньше данное нервное (или мышечное) волокно. Этим обстоятельством, к примеру, объясняют тот факт, что во многих случаях химические сигналы (медиаторы) специализированных рецепторных клеток (например, в сетчатке, спиральном (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: Дм велико, а 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 = U₀e^—x/λ,

где uq — электротон в точке приложения электрода; λ (ламбда) — постоянная длины, на которой электротон снижается в е раз (т. е. до 37% Uo). Согласно этой формуле, при х = λ U = 37% U₀; при х = 4λU = 2% u₀. Постоянная длины зависит от Rм, R_I и диаметра волокна (d).

Таким образом, λ тем больше, чем больше Rм 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 R_I (рис. 1.24) (в случае катэлектротона — разряжается через R_I). Так как величина R_I 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.

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 λм и обратно пропорциональна величине См. При выключении источника тока Эт исчезает в силу разрядки См через Лм 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 α—мотонейроны, 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.

В конце XVIII в. в результате плодотворной научной дискуссии между знаменитыми итальянскими учеными Л. Гальвани и А. Вольта была доказана электрическая природа МПП в скелетных мышцах лягушки. После этого многие специалисты предполагали, что и нервное возбуждение передается по нервам, как по проводам. Однако известный немецкий естествоиспытатель Г. Гельмгольц, измерив скорость распространения импульса возбуждения по нерву, определил, что она составляет примерно 10 м в секунду, т. е. неизмеримо меньше скорости движения электрического сигнала по обычным проводникам. Как известно, последняя близка к скорости света.

Понять природу электрических явлений в нервных волокнах помог опыт французского ученого А. Лилли. Он в буквальном смысле сделал «железный нерв», погрузив очищенную проволоку в концентрированную азотную кислоту. При этом в результате окисления на поверхности металла образовалась защитная пленка. Экспериментатор сделал царапину, тем самым повредил пленку окисла и увидел, что это повреждение распространяется по поверхности проволоки. Как оказалось, от поврежденного участка к окружающим его областям течет электрический ток, создаваемый химической реакцией между железом и кислотой. Атомы железа распадаются на ионы и свободные электроны. Первые тут же переходят в раствор кислоты, а вторые выходят через неповрежденную пленку в соседних участках. Электрохимические реакции наиболее интенсивны около повреждённых участков, где и поток электронов имеет наибольшую плотность. При этом защитная пленка разрушается, и это «повреждение» смещается на новое место. Процесс разрушения пленки происходит с запаздыванием из—за ее емкости, вызывающей замедленный рост напряжения. После этого обнаженные области проволоки вновь покрываются защитной пленкой, которая не разрушается, т. к. электрохимическая реакция успела уйти по проволоке уже далеко.

Примерно так же, как в модели А. Лилли, распространение электрохимической реакции вызывается током, в свою очередь запускаемым этой реакцией, проводится и волна возбуждения по нервным волокнам. Проведение ПД — это вроде эстафеты, в которой каждый участок вдоль волокна выступает сначала как раздражаемый, а затем как раздражающий последующий участок. Механизм распространения ПД включает в себя два компонента: раздражающее действие катэлектротонического сигнала на соседний участок электровозбудимой мембраны и возникновение ПД в этом соседнем раздражаемом участке мембраны. В отличие от распространения электротона проведение возбуждения происходит без снижения амплитуды ПД и без снижения скорости, т. е. бездекрементно. Проводится информационный сигнал значительно медленнее, чем в той же железной проволоке. Это и понятно. С точки зрения любого электротехника, нервное волокно — никудышный проводник: сопротивление и емкость его протоплазмы чрезмерно велики. Сопротивление такого проводника длиной

Рис. 1.25 Зависимость дальности (I) раздражающего действия электротонической петли

(и, соответственно, скорости распространения ПД) от величины λ (А) и амплитуды ПД (Б) Апд1 и апд2 — разные амплитуды потенциала действия; l1 ,I2 — разные дальности действия; λ1 и λ2 — различные величины λ.

1 м и толщиной 1 мкм выражается огромной цифрой — 10 Ом. Подобное сопротивление имел бы кабель длиной 10 км.

Проведение возбуждения в нервных волокнах зависит от амплитуды ПД (величины электротонического сигнала, порождаемого ПД) и от пороговой деполяризации, точнее — от соотношения этих двух величин, называемого гарантийным фактором (ГФ). Обычно ГФ достаточно высок (т. е. ПД в 5—7 раз превышает порог для его возникновения). Если ГФ = 1, то проведение ненадежно, если ГФ < 1, то проведения нет. Ясно, что чем выше ГФ, тем эффективнее раздражение соседнего участка.

Скорость распространения ПД в тонких немиелинизированных (т. е. не имеющих миелинизированной оболочки) нервных волокнах, как и скорость распространения электротона, пропорциональна толщине волокна; она тем больше, чем толще волокно. Это и понятно: при большом диаметре волокна снижается сопротивление электрическому току вдоль оси волокна (рис. 1.25).

Природа опробовала такой способ передачи, создав гигантский (толщиной 0,5—1 мм) аксон кальмара, скорость нервного импульса в котором 20—30 м/с, а время пробега вдоль всего аксона — меньше сотой доли секунды. Однако такая значительная скорость достигнута «дорогой ценой». У позвоночных животных такая же скорость достигается в волокнах толщиной всего 5 мкм.

Пониманию электрохимической природы передачи возбуждения по нервам способствовали также опыты английского физиолога А. Ходжкина. Нервное волокно он располагал на изолированные металлические пластинки. Эта манипуляция скорости проведения не меняла. Однако замыкание пластинок, приводившее к уменьшению внешнего сопротивления, вызывало ускорение проведения нервного импульса. Эффект наблюдался и в случае перерезки нервного волокна на соединенных пластинках. Казалось бы, чем это не протез нерва? Однако в отсутствие трофических влияний сомы, передаваемых с помощью аксоплазматического транспорта, периферическая культя нерва дегенерирует.

Японский физиолог И. Тасаки последовательно перерезаал волокна в нерве лягушки и обнажал на небольшом участке одиночное волокно. Препарат помещался в питательный раствор на сдвинутые стеклянные пластинки. При раздвижении стекол волокно повисало в воздухе. Помещенное в этот воздушный мостик—изолятор, нервное волокно проводило возбуждение до тех пор, пока не высыхало. Если же высушить не все волокно, а только его маленькую часть, покрытую миелиновой оболочкой, то проводимость нерва легко восстановить, соединив любым проводником электрического тока два соседних перехвата Ранвье. В том же случае, когда высыхал сам перехват Ранвье, передача нервного импульса прекращалась.

Итак, этими экспериментами было убедительно показано, что участок между перехватами Ранвье — это электрический кабель. Очень тонкий, с чрезвычайно высоким продольным сопротивлением кабель, протоплазма которого тоже имеет высокое удельное сопротивление. Вот почему при проведении ПД по волокну петли тока замыкаются через внешнюю проводящую среду (рис. 1.26, 1.27).

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. Миелиновая жировая оболочка, спирально навернутая на нервный проводник, напоминает обмотку электрических кабелей. Миелиновые муфты, каждая из которых формируется одной шванновской клеткой, являются хорошими электроизоляторами: у миелина R = 0,16 МОм • см, С = 0,005 мкФ/см.

Поэтому в миелинизированном волокне, в отличие от немиелинизированного, 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 — сальтаторно — от перехвата к перехвату. Здесь находится и генератор, и усилитель (ретранслятор) электрического импульса. Генератор возбуждается только в том случае, когда ток течет не только вдоль, но и поперек волокна, т. е. выходит через поверхность волокна изнутри наружу. Этот ток возбуждает генератор нервного импульса всякий раз, когда он меняет разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны на определенную величину (примерно 20 мВ).

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. 1.26). 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 возбужденного участка (L) нервного волокна при развитии пика одиночного ПД определяется следующим образом: L = tv. 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 = t_пд (в начальной точке) Удд (рис. 1.26). В гигантском аксоне кальмара L = 1 мс • 25 мм/мс = 25 мм. В миелинизированных волокнах L = 0,4 мс • 120 мм/мс = 48 мм. В тонких немиелинизированных волокнах при t_пд = 1 мс и v_пд = 1 мм/мс протяженность возбужденного участка L = 1 мс • 1 мм/мс = 1 мм.

Проведение ПД в участках резкого изменения свойств нервного проводника, таких как область перехода миелинизированного нервного волокна в оголенное и разветвленное окончание, имеет свои особенности. Площадь мембраны нервного окончания обычно значительно (на два порядка) больше площади перехвата Ранвье. При таком соотношении площадей проведение ПД из перехвата в окончание (например, моторное) несколько замедлено и имеет сниженный ГФ. Это объясняется падением плотности локального раздражающего тока в окончании.

Рис. 1.26 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.

Проведение из окончания (например, сенсорного) в перехват ускорено и облегчено из—за концентрации тока ПД окончания в перехвате, хотя амплитуды ПД в перехвате и в терминали могут быть одинаковыми. Аналогичная ситуация наблюдается в участках разветвления магистральных нервных волокон (а также проводящих ПД дендритов); так как рабочая площадь мембраны в неразветвленной части меньше, чем в разветвленной, то проведение ПД из первой во вторую происходит с некоторым замедлением и при снижении ГФ. Наоборот, синхронные ПД ветвей взаимно облегчают себе вход в неразветвленную часть проводника.

Наконец, сходные явления имеют место в участках резкого изменения диаметра проводника, например в районе перехода тела нейрона в начальный сегмент аксона или дендрит. Здесь взаимодействующие соседние участки мембраны также имеют существенно разную по величине рабочую площадь. И это обстоятельство при прочих равных условиях способствует проведениию ПД из расширенного сегмента в суженный, например из сомы в дендрит, и затрудняет проведение в противоположном направлении.

Электрофизиология нервного ствола. Нервный ствол, или нерв, представляет собой пучок множества нервных волокон, покрытых у позвоночных общими эпителиальной и соединительнотканной оболочками.

Обычно нерв включает в себя волокна различного типа и разного диаметра. Например, седалищный нерв лягушки содержит двигательные волокна (аксоны мотонейронов), чувствительные (аксоны чувствительных клеток) и автономные (аксоны нейронов симпатических ганглиев). Моторные и наиболее толстые чувствительные волокна этого нерва миелинизированы, симпатические — не имеют миелиновой оболочки, покрыты одним слоем шванновских клеток.

Все эти волокна в покое обладают поляризованной поверхностной мембраной. Если нерв перерезать и соединить его поврежденную и продольную поверхность с регистрирующим устройством, то отводится потенциал повреждения, или потенциал покоя (ПП). Потенциал нормальной точки нерва относительно поврежденной имеет обычно небольшую величину 20—30 мВ, он меньше МПП волокон нерва, что объясняют шунтирующим действием межволоконных щелевых пространств. Если в сегменте нерва, расположенном между электродами, заменить (перфузией) межклеточную жидкость на раствор сахарозы (сахарознъй мостик), то ПП нерва «поднимается» (увеличение отрицательного значения потенциала в поврежденном участке или внутри клетки условно обозначают как рост потенциала) до —70 мВ. Его величина, по существу, отражает величину МПП наиболее толстых волокон, генерирующих основную часть внешнего тока.

Нервы у позвоночных состоят из трех основных групп волокон (А, В и С), различающихся по электровозбудимости, скорости развития ПД, его компенсации и скорости проведения (все эти показатели в ряду А—В—С падают). Группа А включает наиболее толстые хорошо миелинизированные моторные и чувствительные волокна; группа В — слабомиелинизированные, преганглионарные волокна автономной нервной системы; группа С — немиелинизированные, постганглионарные (симпатические) волокна. Группа А неоднородна, в ней можно выделить подгруппы альфа (α), бета (β), гамма (γ), дельта (δ); в этом ряду названные показатели тоже падают. Соотношения свойств этих групп волокон демонстрируются в табл. 1.2 и 1.3.

Необходимо заметить, что указанные соотношения порогов электрического раздражения групп волоков не отражают точного соотношения электровозбудимости их мембран. Относительно высокие пороги тонких волокон при их

Т а б л и ц а 1.2

Волоконный спектр седалищного нерва лягушки

Группы волокон	Диаметр, мкм	Пороги электрического раздражения (относительно Аа)	Скорость проведения, м/с
Аα	18,5	1—1,6	42
Аβ	14	1,&—2,9	25
Аγ	11	3,3—4,5	25
С	0,4—0,5	100—300	2,5

Волоконный спектр нервных стволов кошки Т а б л и ц а 1.3

Группы моторных и сенсорных волокон (по Эрлангеру и Гассеру)	Диаметр, мкм	Пороги электрического раздражения (относительно Аα.)	Длительность пика ПД*	Отрицательный следовой потенциал (ОСП)		Положительный следовой потенциал		Скорость проведения, м/с
				Длительность М/с	амплитуда СП,% к амплитуде ПД	Длительность М/с	амплитуда СП,% к амплитуде ПД
Аα	13—22	1,0	0,4	15—20	5	40—60	0,2	70—120
АР	8—13							40—70
Aγ	4—8							15—40
Aδ	1—4							5—15
В	1—3	11,7	1,2	ОСП нет		100—300	10	3—14
С	0,5—1,0	100,0	2,0	50—80		300—1000		0,5—2

* Приблизительно ту же величину имеют и абсолютные рефракторные фазы.

раздражении в нервном стволе определяются в основном тем, что тонкие волокна по сравнению с толстыми обладают более высоким входным сопротивлением. В них входит такая малая часть раздражающего тока, что при пороговой силе для Aα—волокон она совершенно недостаточна для создания на мембране более тонких волокон сколько—нибудь существенной деполяризации. По этой же причине (высокое —R_I) отводимые от ствола (внеклеточно) ПД тонких волокон предстают значительно меньшими, чем ПД толстых волокон.

Суммарная электрическая активность нерва создается его волокнами, каждое из которых генерирует свой стандартный по амплитуде и временным параметрам ПД, распространяющийся в обе стороны от точки, к которой приложено раздражение. Суммарный электрический сигнал нерва зависит от числа активных волокон, синхронности активности, способа отведения и других обстоятельств.

Рассмотрим случай так называемого однофазного отведения, при котором один отводящий электрод (активный) расположен на нормальном участке ствола, а другой (индифферентный) — на поврежденном, где волокна деполяризованы полностью (рис. 1.27). Пусть применяют искусственное раздражение и раздражающий электрод (катод) находится достаточно близко (I = 3 мм)

Рис. 1.27 Развитие пика составного потенциала действия нервного ствола (пучка)

А — отведение ПД нерва с сахарозным мостиком (1); 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).

активного отводящего электрода, а нерв помещен в непроводящую среду (масло или воздух). Здесь сильное одиночное раздражение приводит к синхронному возбуждению всех волокон, при этом активный отводящий электрод регистрирует суммарный ПД нерва, по форме приближающийся к ПД отдельного Аα—волокна, но немного более затянутый во времени. Этот ПД нерва, однако, не подчиняется правилу «все или ничего». При пороговом раздражении он ничтожно мал, с увеличением силы стимулов постепенно растет, достигая максимума, равного при обычных условиях 5—10 мВ, а в условиях сахарозного мостика — 50—100 мВ.

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 Аα—волокнам более высокопороговых медленных β—, γ—, δ—волокон 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. 1.27, 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. 1.28). При этом в ответ на пороговые раздражения или при небольшом их превышении возникает в общем такой же Аα—пик. По мере роста предъявляемых стимулов этот пик не просто увеличивается, а осложняется рядом дополнительных, следующих за ним, более поздних пиков. Это Аβ—, Aγ—, Аδ—, В— и С—пики. Такое распределение — результат отставания от Аα—импульса импульсов Аβ, Aγ—, Aδ—, 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.

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

Рис. 1.28 Дисперсия во времени компонентов составного однофазного ПД нерва и формирование двухфазного ПД I, II — отведения ПД при малой в большой дистанциях проведения; III, IУ — 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 я 2: при сильном раздражении и большой дистанции проведения составной ПД распадается на ряд ПД, порождаемых волокнами с разной скоростью проведения возбуждения.

составной ПД (ПД в своей точке), которые алгебраически складываются на входе регистрирующего прибора. Из схемы (рис. 1.28) следует, что при этом сложении образуется двухфазная волна и что в силу несимметричности ликов 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. 1.29) пика ПД нервного ствола, расположенного в проводящей среде. При таком отведении один электрод приближен к нерву, 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 Аα—пика ПД в средней части нерва), были получены картины электрического поля в проводящей среде вокруг активного нерва.

Представленная на рис. 1.29 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 оказывается возбужденным в средней части, имеет вид генератора с тремя полюсами — двумя плюсами по концам и минусом в средней части. Электрическое поле в среде также имеет три соответственные зоны, разделенные на плоскости линиями (а в объеме поверхностями) нулевых сдвигов потенциала (U). По мере удаления от нерва в любую сторону величины сдвигов U падают, на краях фильтровальной бумаги они близки к нулю.

При распространении возбуждения нерва (его составного ПД) слева направо так же движется и порождаемое им электрическое поле в среде. При этом электрод, находящийся на средней линии, регистрирует трехфазный сигнал

Рис. 1.29 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 (I), в середине этого участка (2), в его конце (3) и за его пределами (4); объяснение см. в тексте.

(+—+) тем более слабый, чем дальше этот электрод отнесен от нерва (в поперечном к его оси направлении). Если отводящий фокальный электрод помещают в месте зарождения поля ПД (на рис. 1.29 левый край фильтровальной бумаги, где нерв выходит на нее из масляной ванночки, в которой он контактирует с раздражающими электродами), то при прохождении ПД регистрируется двухфазный сигнал (—+). Если же фокальный электрод помещают на правом краю бумаги, куда нерв не доходит, а соответственно и ПД, то при прохождении ПД регистрируют однофазный сигнал положительной полярности. Эти формы фокального электрического сигнала, порождаемого полем проводящегося ПД, — трехфазная, двухфазная и однофазная — характерны соответственно для случаев прохождения ПД мимо электрода, зарождения ПД около электрода и ухода от него и, наконец, движения ПД к электроду с остановкой «на полпути».

Все рассмотренные до сих пор варианты записи электронейрограмм возникают при синхронной электрической активности волокон нервного ствола в условиях синхронного электрического раздражения нерва. Но в естественных условиях отдельные волокна нервного ствола чаще получают асинхронное раздражение (тоже электрическое) из своих индивидуальных источников, например моторные волокна из тел мотонейронов, а чувствительные — из рецепторов. Волокна нервного ствола при этом работают асинхронно, а чувствительные и двигательные, кроме того, проводят ПД в разных направлениях. При этом суммарная электрическая активность нервного ствола оказывается очень ослабленной, ее анализ весьма труден.

Электрические взаимоотношения работающих соседних волокон в нервных стволах. На схеме (см. рис. 1.27) видно, что соседние волокна подключены друг к другу как шунты через межклеточную щель. Если одно из этих волокон работает, то внешние петли тока, порождаемого его ПД, затекают в соседние волокна, используемые, таким образом, как часть внешней проводящей среды. Сила тока этих петель при активности малого числа волокон далеко не достаточна для раздражения. Поэтому в условиях асинхронной активности волокна функционируют вполне изолированно друг от друга.

Однако при синхронной активации значительной части волокон нерва их ПД порождает более сильный внешний ток, приближающийся к пороговому для неактивированных (возбудимых) волокон. При этом возможно раздражение неактивных волокон или, например, ускорение проведения импульсов по более медленным волокнам за счет добавления соседнего электрического влияния от более быстро проводящих. Этот эффект называют эфаптической передачей возбуждения (от греч. ephapsis — прикосновение).

Если синхронно и в одной точке нерва возбуждается большая часть его волокон, например все А—волокна, то возникает еще один эффект: происходит взаимное вычитание внешних петель биотоков соседних возбужденных волокон. Это приводит к снижению сил токов, связывающих возбужденные участки волокон с покоящимися, подлежащими раздражению. В итоге на несколько процентов падает скорость проведения их ПД.