4.2. Потенциал действия (пд), или нервный импульс (спайк)
Теперь, когда мы выяснили, что в покое мембрана нейрона уже заряжена (поляризована), пришла пора обратиться непосредственно к потенциалу действия (ПД). Представьте, что у регистрируемого нами нейрона закончился межимпульсный интервал и мы дождались импульса. Или, чтобы не ждать милостей от нейрона, мы через так называемые стимулирующие электроды (к замечательному прибору электростимулятору мы ещё вернёмся попозже) нанесли на поверхность этого нейрона слабенький (всего-то несколько милливольт) стимул. И вспомните рис. 17. На нём отдельные импульсы выглядят как вертикальные чёрточки, что неудивительно: длительность ПД составляет одну-две миллисекунды (мс) — интервал времени, уловить который без аппаратуры человеку не дано. Да и на слух, если нашу регистрирующую аппаратуру дополнить динамиками, импульсная активность нейрона звучит как беспорядочная автоматная стрельба на бейрутских улицах.
Что же делать, если изучаемый нами объект так миниатюрен и по амплитуде (десятки милливольт), и по длительности (миллисекунды)? Ответ, вообще говоря, хорошо известен: чтобы увидеть инфузорию-туфельку, надо взять микроскоп. Нам даже и микроскопа не надо, чтобы увеличить наш ПД. Надо просто растянуть на экране компьютера ось времени (X) и ось амплитуды ПД (Y), и мы увидим нервный импульс во всех деталях (рис. 25).
Е, мВ
t, мс
Рис. 25. Потенциал действия (ПД) мембраны нейрона или нервный импульс. Цифрами обозначены фазы ПД: 1 — деполяризация; 2а и 2б — реверсия или овершут; 3 — реполяризация; 4 — следовая деполяризация; 5 — следовая гиперполяризация.
Оказывается, ПД имеет достаточно сложную форму, и, двигаясь по оси времени, мы можем разложить его на 5 фаз:
фаза деполяризации — от исходного уровня ПП до 0 (то есть мембрана в это мгновение электронейтральна);
реверсия ПД или овершут — уровень ПД выше 0 (то есть в этот момент мембрана внутри становится заряженной положительно, а не отрицательно, как было в покое);
фаза реполяризации — уровень мембранного потенциала демонстрирует явственное стремление вернуться к исходному уровню ПП;
следовая деполяризация — спад графика ПД становится менее крутым, то есть к исходному уровню ПП потенциал мембраны возвращается несколько медленнее, чем во время реполяризации;
следовая гиперполяризация — в этот короткий период времени мембрана поляризована даже больше, чем в состоянии покоя.
Не стоит сразу пугаться этих новых терминов: они вполне доступны пониманию и весьма информативны. Мы теперь знаем, что в покое мембрана заряжена, или поляризована. Это и есть коренное слово. А дальше — работа с приставками: де- — приставка негативная, отрицательная; действительно, и в 1-й, и в 4-й фазах мембрана менее поляризована, чем в покое; ре- — возвратная приставка (ретро-), соответственно, в 3-й фазе мы видим возвращение ПД (вектор) к исходному уровню. Гипер- — слишком, чересчур; действительно, в 5-й фазе мембрана поляризована слишком сильно, больше, чем в покое. Наконец, обозначения 2-й фазы выходят за рамки этого правила, просто и реверсия, и овершут — это переворачивание чего-то, в нашем случае — мембранного потенциала.
Но назвать ещё не значит объяснить. Давайте разбираться, почему мембрана нейрона в ответ на электрический стимул так прихотливо меняет свой заряд. И снова пойдём по стопам группы Ходжкина.
Начнём с фазы деполяризации. Почему в ответ на внешний стимул поляризация мембраны начинает очень быстро уменьшаться? Оказывается, в это мгновение на мембране начинают активироваться потенциалзависимые натриевые каналы (рис. 26).
Рис. 26. В ответ на электрический стимул на мембране нейрона наряду с постоянно открытыми K+-порами открываются потенциалзависимые Na+-каналы, обеспечивающие входящий натриевый ток.
В названии этих каналов — 2 ключевых слова: во-первых, они селективны по Na+; а во-вторых, они активируются только при вполне определённых изменениях электрического потенциала мембраны.
И вот этот второй момент заставляет нас вернуться к понятиям «стимул» и «электростимулятор». Конечно, можно во время исследования спокойно ждать, когда на нейроне возникнет очередной нервный импульс, тем более что всегда молчащих нейронов по определению не бывает. Но гораздо удобнее, если мы будем точно знать, когда возникнет ПД, а для этого проще всего самим спровоцировать его возникновение.
это можно сделать, нанеся на нейрон адекватный (соответствующий его свойствам) стимул. Раз речь идёт о потенциалзависимых каналах мембраны, то стимул должен быть электрическим. И сформировать этот стимул мы можем с помощью лабораторного электростимулятора (рис. 27).
Рис. 27. Примитивный лабораторный электростимулятор позволяет регулировать амплитуду стимула (от 0 до нескольких десятков тысяч милливольт), его длительность (от долей миллисекунды до десятков секунд) и полярность (+ или –). Стимул представляет собой прямоугольный (П-образный) импульс постоянного тока.
Хорошо известно, что электрические процессы в наших нейронах нужно имитировать не привычным для нас переменным током, а импульсами постоянного тока. Уже совсем скоро (при рассмотрении синапса) мы с Вами поймём, с чем это связано. Именно для имитации реально происходящих в нейронах процессов и были сконструированы первые электростимуляторы данного типа.
Итак, мы возвращаемся к ПД. Что же происходит в нейроне сразу в ответ на стимул?
Если мы подадим на мембрану слабый (всего несколько милливольт) прямоугольный катодический (то есть идущий от отрицательного полюса нашего стимулятора) стимул, возникнет начальная деполяризация мембраны. Этого незначительного сдвига мембранного потенциала в сторону 0 достаточно, чтобы активировалась первая порция потенциалзависимых Na+-каналов.
Естественно, через них с существенно большей вероятностью, чем в покое, возникнет входящий Na+-ток. Катионы Na+, входя в клетку по градиенту концентрации, уменьшают электроотрицательность внутренней поверхности мембраны, то есть деполяризуют её ещё больше (рис. 28).
Рис. 28. Цикл Ходжкина, обеспечивающий восходящую фазу (фазу деполяризации) ПД. Обратите внимание: стимул нужен только на начальном этапе — для запуска цикла Ходжкина, а дальше процесс развивается самопроизвольно, по механизму положительной обратной связи. В результате возникает лавинообразно нарастающий входящий ток катионов Na+.
Круг замкнулся, и теперь все будет повторяться и повторяться.
Впервые этот механизм был описан всё той же группой Ходжкина и в мировой литературе получил наименование «цикл Ходжкина». По существу, это классический пример системы с положительной обратной связью. Здесь каждый предыдущий шаг подстёгивает следующий за ним, усиливая эффект. В биологических системах такого рода механизмы встречаются не слишком часто (в тех случаях, когда или требуется усилить эффект, или нужно синхронизировать изначально независимые процессы — например, при брачном поведении у животных).
В технике системы с положительной обратной связью мы видим сплошь и рядом: это один из самых распространённых видов усилителей.
Цикл Ходжкина поучителен, по крайней мере, по двум причинам.
Во-первых, мы видим, как остроумно природа решила проблему быстрого усиления входящего тока Na+ и, соответственно, деполяризации мембраны. Не случайно во многих книжках процесс нарастания входящего натриевого тока называют лавинообразным.
Во-вторых, становится более понятной роль начального стимула в запуске ПД. Это, по существу, аналог стартёра в современном автомобиле: маленький слабый электромоторчик, работающий от аккумулятора, может раскрутить тяжёлый на подъём двигатель внутреннего сгорания («завести» его), а дальше он будет работать вполне самостоятельно («самопроизвольно», как сказали бы мы).
На стартёре, в принципе, тоже можно проехать несколько метров, но лучше этого не делать из гуманистических соображений. И на мембране нейрона стимул тоже нужен только «на старте» ПД, а дальше процесс поддерживает себя сам. Очень важный вопрос «а всякий ли стимул запустит ПД?» мы проанализируем немножко попозже.
И ещё один вопрос, связанный с восходящей фазой ПД. Если цикл Ходжкина — самоусиливающийся процесс, то почему он не развивается бесконечно, что служит ограничителем входящего тока Na+? Ответов несколько. Прежде всего это уже обсуждавшееся нами уравнение Нернста, описывающее взаимосвязь электрического потенциала полупроницаемой мембраны и концентрационных градиентов. Естественно, что изменение градиента (одной из действующих сил) неизбежно ведёт и к изменениям потенциала (второй силы), и далее по циклу.
Число потенциалзависимых каналов на данном участке мембраны хоть и велико, но не бесконечно. А если учесть, что только что активировавшийся канал не может сразу же открыться вторично (о причинах этого мы поговорим чуть позже), становится понятным наличие ограничений на циклические процессы на мембране. Есть и ещё несколько менее значимых факторов, обсуждение которых мы вынесем за скобки.
Итак, вопрос о механизме деполяризации более или менее прояснился. Но ПД развивается дальше, и после пика реверсии, когда внутренняя поверхность мембраны становится положительно заряженной, наступает фаза реполяризации. Какие мембранные механизмы обеспечивают её развитие? Мы должны назвать, как минимум, три фактора:
в результате инактивационных процессов закрываются Na+-каналы и прекращается (точнее, минимизируется) входящий натриевый ток;
продолжается выходящий ток K+ через поры;
развивается дополнительный выходящий ток K+ через потенциалзависимые калиевые каналы (рис. 29).
Рис. 29. Фаза реполяризации ПД обусловлена, как минимум, тремя факторами: а) прекращением входящего тока Na+; б) продолжением выхода K+ через поры;в) дополнительным выходящим током K+ через потенциалзависимые калиевые каналы.
Думается, Вы почувствовали, что если два первых фактора вполне очевидны, то третий требует дополнительных разъяснений. В самом деле, что же это за «дополнительные» потенциалзависимые K+-каналы, которые активируются так своевременно? И этому открытию уже полвека. Действительно, мы же нигде не оговаривали, что эксклюзивным правом открываться в ответ на изменения потенциала мембраны обладают только Na+-каналы. Белковые субъединицы, образующие K+-каналы, тоже могут быть чувствительными к этим изменениям. Тогда, может быть, для их активации требуются какие-то другие, отличающиеся от необходимых для Na+-каналов параметры изменений потенциала мембраны? Да нет, диапазон примерно тот же. А раз так, значит, эти K+-каналы активируются в ответ на тот же начальный стимул, что и Na+? Ответ пугающе прост: да!
Вдумайтесь в этот ответ! Если каналы для двух катионов (натрия и калия) открываются в ответ на сходные изменения потенциала мембраны, то есть на один и тот же стимул, а градиенты концентраций этих катионов направлены навстречу друг другу, то должен возникнуть встречный ток двух этих ионов, и об изменениях потенциала на мембране можно вообще забыть. Но эти изменения есть, иначе информация Вашим мозгом не могла бы обрабатываться, и Вы не могли бы читать эти строки. Где же нестыковка? Какие факторы не были учтены?
Чтобы разобраться, нам придётся ввести одно из ключевых понятий мембранологии: проницаемость мембраны для ионов (g). Этот термин означает, сколько данных ионов (Na+, K+, Cl– и т.д.) пропустит единица площади данной мембраны (например, 1 квадратный нанометр) в единицу времени (например, в 1 миллисекунду). Когда мы упоминали уравнения Ходжкина — Хаксли, Катца и др., вскользь было сказано, что они являются развитием идеи Нернста; так вот, одним из элементов этого развития как раз и было введение в уравнения показателя проницаемости мембраны для данных конкретных ионов.
Нам этот показатель сейчас нужен для того, чтобы разобраться в загадке «встречных перевозок» катионов через мембрану. Оказывается, хотя процесс активации ионных каналов Na+ и K+ и начинается одновременно (в ответ на стимул), скорость нарастания этой активации, и соответственно проницаемости, существенно различна для ионов Na+ и K+ (рис. 30).
Скорость нарастания (а затем и спада) натриевой проницаемости намного выше, чем калиевой. Поэтому массированный вброс Na+ в первые мгновения ПД существенно опережает медленно нарастающий выход K+, даже несмотря на то, что калиевая проницаемость мембраны изначально больше (за счёт постоянно открытых калиевых пор). Соответственно, входящий и выходящий катионные токи разведены по времени, и вслед за деполяризацией развивается реполяризация мембраны.
Рис. 30. В одном временном масштабе показаны ПД (А) и изменения проницаемости мембраны (Б) для ионов Na+ и K+. Хорошо видно, что проницаемость для Na+ резко возрастает в ответ на стимул и так же быстро падает почти до нуля. Проницаемость для K+ начинает возрастать одновременно с натриевой, но увеличивается и спадает гораздо медленнее. Кроме того, проницаемость мембраны для K+ уже изначально гораздо выше, чем для Na+, так как калиевые поры остаются открытыми всё время.
По существу, с завершением фазы реполяризации завершаются и главные информационно значимые процессы на мембране. Далее, как Вы помните, развиваются следовые процессы, характер которых может различаться в разных возбудимых клетках (вплоть до перемены местами следовой деполяризации и гиперполяризации), и которые, видимо, «не считываются» нашим белковым компьютером напрямую. Но это не значит, что они не влияют на мозговые коды и соответственно на обработку информации. Сегодня существуют вполне биологоправдоподобные модели нейронных сетей, в которых главным изменяемым параметром является период следовой гиперполяризации. Эти виртуальные «мозги» вполне успешно справляются с весьма сложными задачами, что подтверждает небезразличность для информационных процессов следовых («остаточных», как может казаться) изменений поляризации.
Однако эти тонкости выходят за пределы нашей книжки. Нам хотелось бы показать на примере следовых процессов значимость ещё одного транспортного механизма мембраны. Речь пойдёт об ионных насосах. Мы с Вами уже рассматривали общие принципы их работы, так что теперь можем обсудить только самое главное.
Посмотрите ещё раз на рисунок ПД (рис. 31). Совершенно ясно, что к моменту завершения процесса реполяризации соотношения ионных градиентов по обе стороны мембраны явно не соответствуют «нормативным параметрам», характерным для ПП.
Рис. 31. И снова ПД со всеми его фазами. Обратите внимание на точки I, II и III. Как видите, они лежат на одной прямой, то есть уровень мембранного потенциала в них один и тот же (как мы договорились, около –70 мВ). А что Вы скажете об ионных градиентах по обе стороны мембраны? Ведь совершенно очевидно, что в I и III точках они совпадают или почти совпадают. А во II точке?
Тем не менее после окончания следовых процессов мембрана вполне готова к генерации нового импульса (строго говоря, она готова к этому и несколько раньше, но об этом мы ещё поговорим), потому что к этому моменту уровни катионных градиентов успевают вернуться к исходным значениям.
Единственным механизмом, способным так быстро восстанавливать ионные градиенты, является ионный насос. В разбираемом нами случае это Na+-K+-ионообменник, или Na+-K+-помпа. Вы, конечно, помните, что такой насос качает ионы против градиента концентрации, затрачивая на это энергию АТФ.
Вопреки декларациям многих современных учебников я утверждаю (основываясь на экспериментальных данных, естественно), что эти насосы работают непрерывно, постоянно поддерживая неравновесие концентраций ионов по разные стороны мембраны. Как Вы уже поняли, во время ПД такое неравновесие нарушается особенно сильно. Замечательно, что натрий-калиевый насос в это время резко увеличивает свою активность, чему способствует его особое свойство — электрогенность (это значит, что он активируется при изменении мембранного потенциала, то есть именно во время ПД). А дальше — своеобразный эффект маскировки: пока потенциалзависимые каналы открыты и пропускают ионы по их концентрационным градиентам, интенсивная работа насосов относительно незаметна и обнаруживается только при достаточно тонкой постановке экспериментов, когда же процессы деполяризации и реполяризации остались позади — активный ионный транспорт с помощью насосов проявляется во всей красе. Таким образом, именно во время следовых процессов мы наиболее явно обнаруживаем присутствие на мембране энергозависимых ионообменников — насосов (рис. 32).
Рис. 32. Относительно полная схема мембраны нейрона, описывающая базовые процессы, которые обеспечивают формирование ПП и ПД: K+-поры (открыты всегда и участвуют как в ПП, так и в ПД), Na+-потенциалзависимые каналы (главный фактор фазы деполяризации ПД), K+-потенциалзависимые каналы (наряду с порами обеспечивают фазу реполяризации ПД), Na+-K+-помпа (восстанавливает и поддерживает катионные градиенты на мембране).