Потенциал действия (пд)

Раздражение, как уже упоминалось, лишь при достижении порога возбуждения вызывает самоподдерживающийся процесс изменения значений биопотенциалов в клетке – потенциал действия. Пороговые условия начала развития ПД определяются многочисленными условиями (законами), подробно рассмотренными в соответствующих электрофизиологических литературных разделах. Например, они включают в себя силу (амплитуду) и длительность раздражающего стимула. Взаимосвязь этих параметров представляет собой известную гиперболическую зависимость "сила – длительность" (Рис.17).

Рис.17. Зависимость сила – длительность. По оси абсцисс- длительность стимула; по оси ординат -амплитуда стимула С - полезное время; А -хроноксия; О - реобаза

Такие характеристики, как полезное время, реобаза, хронаксия являются общими для электровозбудимых тканей (там же).

Электротонический потенциал и локальный ответ. Изменения, проходящие на мембране при действии раздражения до порогового уровня, проявляются в виде электротонического потенциала и локального ответа.

Электротонический потенциал представляет собой изменения пассивных (омических и емкостных) электрических характеристик мембран в ответ на раздражение, амплитуда которого меньше 50 – 70% пороговых (100%) значений.

Локальный ответ представляет собой изменения подпороговых активных (ионная проницаемость) электрических характеристик мембран в ответ на раздражение, амплитуда которого ниже пороговых значений.

Таким образом, основной причиной инициации процесса развития ПД является достижение критического (порогового) уровня смещения мембранного потенциала.

Современные методы регистрации биопотенциалов

Регистрация биопотенциалов осуществляется с помощью специальных методов исследования электровозбудимых мембран, различающиеся вне- и внутриклеточными способами отведения мембранного потенциала.

Исследования ПД методами внеклеточного отведения в настоящее время производятся редко, так как они имеют один существенный недостаток, мешающий регистрировать электрические параметры одной клетки. Он проявляется в значительном внеклеточном шунтировании параметров потенциала из-за недостаточно плотного контакта регистрирующего устройства с биологической мембраной. С другой стороны, простота и доступность этого способа регистрации электрических параметров позволило его широко использовать в диагностической практике для регистрации суммарного потенциала электровозбудимых тканей (ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ и т.д.).

Метод сахарозного мостика является внеклеточным способом регистрации параметров ПД. Использование изолирующих межклеточные участки сахарозных протоков (мостиков) позволяет ограничить внеклеточное шунтирование и достаточно уверенно регистрировать параметры биопотенциалов (Рис.18).

Рис.18. Схема метода двойного сахарозного мостика. 1- биологический объект; 2-изолирующих межклеточные участки сахарозных протоков (мостиков) 3-поток раствора Кребса – рабочая камера; 4-регистрирующие электроды; 5-раздражающие электроды.

Основное развитие в настоящее время получила техника внутриклеточного отведения параметров биопотенциалов. С помощью микроэлектродов, много меньших, чем гиганские одиночные клетки по размерам (0,5-1 мкм против 100 мкм), прокалывалась биологическая мембрана, и регистрировались электрические параметры внутриклеточного содержимого (Рис.8).

Изменение материалов, из которых изготовлялись микроэлектроды, происходило одновременно с техническим прогрессом по пути использования металлов, стекла, полимеров и снова стекла. Применимость и точность этого способа регистрации мембранных потенциалов подтверждают уникальные эксперименты многократного введения микроэлектродов внутрь одной клетки при незначительном изменении значений биопотенциалов.

Возможности микроэлектродной техники позволили регистрировать ионный ток, протекающий через мембрану в момент развития ПД. Для этого использовался метод фиксации потенциала (clamp-voltage), представляющий электронную схему поддержания постоянного уровня мембранного потенциала за счет источника обратной Э.Д.С., включенной через усилитель с обратной связью. На Рис.9 представлен один из вариантов такой схемы с соответствующими блоками и объектом – биологической мембраной.

Точные измерения значений ионных токов из-за своих малых величин при методе clamp-voltage осложнялись возможностью их шунтирования на границе микроэлектрод-мембрана, существующей даже при достаточно высоком мегаомном (10⁶ Ом·см) удельном сопротивлении контакта с клеткой.

Настоящий прорыв в данной области был совершен при достижении контакта с клеткой гигоомных (10⁹ Ом·см) значений удельного сопротивления контакта микроэлектрода и объекта. Особые материалы и способы заточки микроэлектродов позволили регистрировать на целой клетке (whole cell) и на участках мембраны (pach clamp) динамику одиночных ионных токов. Возможные модификации этого метода представлены на Рис.10