Спр. материал / ВОЗБУДИМЫЕ ТКАНИ / 20. ПРОВЕДЕНИЕ НЕВН ИМП СВ-ВА

5.2.2. МЕХАНИЗМ ПРОВЕДЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПО НЕРВНОМУ ВОЛОКНУ

Биопотенциалы могут быть локальными (местными), распространяющимися с декре­ментом (затуханием) на расстояние, не пре­вышающее 1—2 мм, и импульсными (ПД), распространяющимися без декремента по всей длине волокна — на несколько десятков сантиметров, например от мотонейронов спинного мозга по всей длине нервного во­локна до мышечных волокон конечностей с учетом длины самой конечности.

А. Распространение локальных потенциа­лов. Локальные потенциалы (препотенциал, рецепторный потенциал, возбуждающий постсинаптический потенциал — ВПСП) из­меняют мембранный потенциал покоя, как правило, в сторону деполяризации в резуль­тате входа в клетку Na⁺ согласно электрохи­мическому градиенту. В результате этого между участком волокна, в котором возник локальный потенциал, и соседними участка­ми мембраны формируется электрохимичес­кий градиент, вызывающий передвижение ионов. В частности, вошедшие в клетку ионы Na⁺ начинают перемещаться в соседние участки, а ионы Na⁺ на наружной поверхнос­ти клетки движутся в противоположном на­правлении. В итоге поляризация мембраны соседнего участка уменьшится. Фактически это означает, что локальный потенциал из первичного очага распространился на сосед­ний участок мембраны. Он затухает на рас­стоянии 1—2 мм от очага первичной деполя­ризации, что связано с отсутствием ионных управляемых каналов на данном участке

мембраны или неактивацией управляемых ионных каналов, продольным сопротивлени­ем цитоплазмы волокна и шунтированием тока во внеклеточную среду через каналы утечки мембраны.

Если возникшая деполяризация мембраны не сопровождается изменением проницае­мости потенциалзависимых натриевых, каль­циевых и калиевых каналов, такую деполяри­зацию называют электротонической. Элек­тротоническое распространение возбужде­ния — физический механизм, оно характерно для тех фрагментов мембран возбудимых кле­ток, где нет потенциалзависимых ионных ка­налов. Такими участками являются, напри­мер, большая часть мембраны дендритов нервных клеток, межперехватные промежут­ки в миелиновых нервных волокнах. Если местный потенциал (рецепторный или ВПСП), распространяясь электротонически, достигает участков мембраны, способных ге­нерировать ПД (аксонный холмик, перехва­ты Ранвье, часть мембраны дендритов и, воз­можно, сомы), но его амплитуда при этом не достигнет критического уровня деполяриза­ции, то такой потенциал называют препотен-циалом. В его возникновении и распростра­нении частично участвуют потенциалзависи-мые ионные каналы, однако при этом нет ре­генеративной (самоусиливающейся) деполя­ризации, характерной для ПД. Поэтому рас­пространение такого потенциала происходит с затуханием амплитуды. Если локальный по­тенциал достигает участков мембраны, спо­собных генерировать ПД, и его амплитуда выходит на критический уровень деполяриза­ции, формируется ПД, который распростра­няется по всей длине нервного волокна без затухания.

Эффективность электротонического рас­пространения биопотенциалов зависит от физических свойств нервного волокна — со­противления и емкости его мембраны, со­противления цитоплазмы. Электротоничес­кое проведение в нервном волокне улучшает­ся при увеличении его диаметра, что связа­но с уменьшением сопротивления цитоплаз­мы, а также при миелинизации волокна, уве­личивающей сопротивление мембраны (до 10^Э Ом/см²) и уменьшающей ее емкость (до 0,005 мкФ/см²). Эффективность электрото­нического проведения характеризует посто­янная длины мембраны (Хт). Это расстоя­ние, на которое может электротонически распространиться биопотенциал, пока его амплитуда не уменьшится до 37 % от исход­ной величины. Постоянная длины для ло­кальных потенциалов реально не превышает

1 мм, и их амплитуда затухает на расстоянии 1—2 мм от места возникновения.

Для передачи возбуждения на большие расстояния необходимо формирование ПД. В его распространении, кроме электротони­ческого механизма, существенная роль при­надлежит механизму регенеративной деполя­ризации, позволяющей сохранить амплитуду ПД на всем пути его следования.

Б. Проведение потенциала действия осу­ществляется с использованием как физическо­го (электротонического), так и физиологичес­кого механизмов. Обязательным условием проведения нервного импульса является на­личие на всем протяжении или в ограничен­ных, но повторяющихся участках волокна потенциалзависимых ионных каналов, ответ­ственных за формирование ПД. В распро­странении ПД можно выделить два этапа: этап электротонического проведения, обу­словленный физическими свойствами нерв­ного волокна, и этап генерации ПД в новом участке на пути его движения, обусловлен­ный реакцией ионных каналов. В зависимос­ти от расположения и концентрации ионных каналов в мембране волокна возможно два типа проведения ПД: непрерывный и сальта-торный (скачкообразный).

1. Непрерывное распространение ПД осу­ществляется в безмиелиновых волокнах типа С, имеющих равномерное распределение по­тенциалзависимых ионных каналов, участву­ющих в генерации ПД. Проведение нервного импульса начинается с этапа электротони­ческого распространения возникшего ПД. Амплитуда ПД нервного волокна (мембран­ный потенциал + инверсия) составляет около 90 мВ, постоянная длины мембраны (Km) в безмиелиновых волокнах равна 0,1 — 1,0 мм.

Поэтому ПД, распространяясь на этом рас­стоянии как электротонический потенциал и сохранив как минимум 37 % своей амплиту­ды, способен деполяризовать мембрану до критического уровня и генерировать на всем протяжении новые ПД (рис. 5.3). При этом на этапе электротонического распростране­ния нервного импульса ионы движутся вдоль волокна между деполяризованным и поляри­зованным участками, обеспечивая проведе­ние возбуждения в соседние участки волок­на. Реально при неповрежденном нервном волокне этап чисто электротонического рас­пространения ПД (вдоль мембраны) предель­но мал, так как потенциалзависимые каналы имеются в непосредственной близости друг от друга и, естественно, — от возникшего по­тенциала действия и наблюдается только до достижения деполяризации, равной 50 % Е_кр. Далее включается перемещение ионов в клетку (нервное волокно) и из клетки за счет активации ионных каналов.

При формировании нового ПД в соседнем участке в фазе деполяризации возникает мощный ток ионов натрия в клетку вследст­вие активации натриевых каналов, приводя­щий к регенеративной (самоусиливающейся) деполяризации. Этот ток обеспечивает фор­мирование нового ПД той же амплитуды, представляющий собой, как обычно, сумму двух величин — мембранного потенциала покоя и инверсии. В связи с этим проведение ПД осуществляется без декремента (без сни­жения амплитуды). Таким образом, непре­рывное распространение нервного импульса идет через генерацию новых ПД по эстафете, когда каждый участок мембраны выступает сначала как раздражаемый (при поступлении к нему электротонического потенциала), а

затем как раздражающий (после формирова­ния в нем нового ПД).

2. Салыпаторный тип проведения нервно­го импульса осуществляется в миелиновых волокнах (типы А и В), для которых харак­терна концентрация потенциалзависимых ионных каналов только в небольших участ­ках мембраны (в перехватах Ранвье), где их плотность достигает 12 000 на 1 мкм², что примерно в 100 раз выше, чем в мембранах безмиелиновых волокон. В области миелино­вых муфт (межузловых сегментов), обладаю­щих хорошими изолирующими свойствами, потенциалзависимых каналов почти нет, и мембрана осевого цилиндра там практически невозбудима. В этих условиях ПД, возник­ший в одном перехвате Ранвье, электротони-чески (вдоль волокна, без участия ионных каналов) распространяется до соседнего перехвата, деполяризуя там мембрану до кри­тического уровня, что приводит к возникно­вению нового ПД, т.е. возбуждение прово­дится скачкообразно (рис. 5.4). Постоянная длина мембраны миелинового волокна до­стигает 5 мм. Это значит, что ПД, распро­страняясь электротонически на этом рассто­янии, сохраняет 37 % своей амплитуды (около 30 мВ) и может деполяризовать мем­брану до критического уровня (пороговый потенциал в перехватах Ранвье равен около 15 мВ). Поэтому в случае повреждения бли­жайших на пути следования перехватов Ран­вье потенциал действия может электротони­чески возбудить 2—4-й и даже 5-й перехваты.

Сальтаторное проведение ПД по миелино-вым волокнам является эволюционно более поздним механизмом, возникшим впервые у позвоночных. Оно имеет два важных преиму­щества по сравнению с непрерывным прове-

дением возбуждения. Во-первых, оно более экономично в энергетическом плане, т.к. воз­буждаются только перехваты Ранвье, площадь которых менее 1 % мембраны, и, следователь­но, надо меньше энергии для восстановле­ния трансмембранных градиентов Na⁺ и К⁺, уменьшающихся в процессе формирования ПД. Во-вторых, возбуждение проводится с большей скоростью (см. табл. 5.2), чем в без­миелиновых волокнах, так как возникший ПД на протяжении миелиновых муфт распростра­няется электротонически, что в 10⁷ раз бы­стрее, чем скорость непрерывного проведения ПД в безмиелиновом волокне.

5.2.3. ПРОВЕДЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ В НЕРВНЫХ СТВОЛАХ

В периферической нервной системе волокна объединены с помощью соединительноткан­ных оболочек в нервные стволы (нервы). В одном нерве могут быть тысячи нервных волокон: например, в срединном и мышеч-но-кожном нервах имеется 27—37 тыс. нерв­ных волокон. Волокна в нервах могут быть миелиновыми и безмиелиновыми, афферент­ными и эфферентными. В естественных ус­ловиях каждое волокно нерва возбуждается от своего источника (например, эфферент­ное — от аксонного холмика, афферентное — от рецептора), и ПД в них проводятся асин­хронно. Кроме того, чувствительные и двига­тельные волокна проводят импульсы в про­тивоположных направлениях. Суммарная электрическая активность нерва создается электрической активностью составляющих его волокон и зависит от числа возбужден­ных волокон, степени шунтирования мест­ных токов невозбужденными волокнами,

синхронности проведения ПД в волокнах. В связи с этим анализ суммарной электри­ческой активности нерва (нейрограммы) представляет трудную задачу.

В лабораторных условиях при монополяр­ном отведении, когда один электрод распо­ложен на неповрежденном участке нерва, а второй — на поврежденном (деполяризован­ном) участке, можно зафиксировать суммар­ный монофазный ПД нерва и его дисперсию (расслоение) во времени. Если отводящий электрод расположен близко (до 3 мм) к раз­дражающему, через который подают сильный одиночный стимул (рис. 5.5, М,), то реги­стрируется суммарный ПД нерва, напоми­нающий по форме ПД отдельного нервного волокна, но растянутый по времени (см. рис. 5.5, I). Суммарный ПД нерва в отличие от ПД отдельного волокна не подчиняется зако­ну «все или ничего». Это означает, что при увеличении силы раздражения увеличивается число возбужденных нервных волокон: в воз­буждение вовлекаются, кроме Аа-волокон, менее возбудимые Ар-, Ay-, A6-, В-волокна и, наконец, наименее возбудимые С-волокна (закон силовых отношений — увеличение от­ветной реакции с увеличением силы раздра­жения).

Если отводящий электрод расположен на достаточном удалении от раздражающего электрода (до 80—100 мм, см. рис. 5.5, М₂), то фиксируется расслоение суммарного ПД нерва на несколько пиков соответственно типам нервных волокон (см. рис. 5.5,11). Это связано с неодинаковой скоростью проведе­ния ПД в разных волокнах нерва: сначала до места регистрации доходят нервные импуль­сы по быстропроводящим Аа-волокнам, через некоторое время по Ар, затем по Ау и т.д. Позже всего до места регистрации дохо­дят ПД по С-волокнам.

Если отведение биполярное и оба отводя­щих электрода расположены на неповреж­денных участках нерва и недалеко от раздра­жающего электрода (чтобы избежать диспер­сии потенциала, см. рис. 5.5, Б), то при силь­ном одиночном стимуле фиксируется двух­фазный суммарный потенциал (рис. 5.5, III). Возникновение этих фаз связано с тем, что, когда волна возбуждения находится под пер­вым (ближайшим к месту раздражения) отво­дящим электродом, этот участок становится электроотрицательным по отношению к по­коящемуся участку под вторым отводящим электродом и луч осциллографа отклоняется вверх. Когда же волна возбуждения доходит

до второго электрода, а под первым электро­дом мембраны волокон уже реполяризованы, то луч осциллографа отклоняется в противо­положную сторону — вниз.

5.2.4. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОВЕДЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПО НЕРВНЫМ ВОЛОКНАМ

I. Двустороннее проведение возбуждения.

Прямые доказательства этой закономерности были получены во второй половине XIX в. А.И.Бабухиным и Э.Дюбуа-Реймоном. Если стимул действует на средний участок изоли­рованного нерва (Дюбуа-Реймон), то распро­странение возбуждения регистрируется как в проксимальном, так и в дистальном участках нерва. В опытах на электрическом органе у рыб, иннервируемом разветвлениями аксона одного нейрона, было показано (А.И.Бабу-хин), что при раздражении перерезанной ве­точки аксона возбуждение распространяется в необычном центростремительном направ­лении, передается на другие разветвления ак­сона, по которым идет в центробежном на­правлении (так называемый аксон-рефлекс). В условиях организма двустороннее проведе­ние показано в аксонном холмике: возник­ший в этом месте ПД распространяется не только в аксон, но и в тело нейрона.

1. Изолированное проведение возбуждения. В обычных условиях деятельности нервного ствола (возбуждение только части нервных волокон, асинхронное распространение в них ПД) проведение возбуждения в составля­ющих его волокнах происходит практически изолированно. Это обусловлено тем, что петли тока в межклеточной жидкости ствола, имеющей низкое сопротивление, почти не проникают в невозбужденные волокна нерва из-за большого сопротивления их оболочек. Изолированное проведение импульсов по нервным волокнам обеспечивает точное аф­ферентное и эфферентное влияния функцио­нально разнородных волокон нерва. Однако при одновременном раздражении значитель­ного количества волокон в межклеточной жидкости ствола возникает достаточно силь­ный внешний ток, способный возбудить не­активные (прежде всего высоковозбудимые) волокна и таким образом увеличить количе­ство функционирующих нервных волокон в нерве, его эфферентное или афферентное влияние.

3. Большая скорость проведения возбужде­ния. Скорость проведения ПД в различных типах волокон нерва равна 0,5—120 м/с (см. табл. 5.2). Она значительно выше в миелино-

вых волокнах в связи с сальтаторным типом проведения ПД (см. раздел 5.2.3), а среди ми-елиновых волокон прямо пропорциональна диаметру волокна. Скорость проведения воз­буждения в миелиновых нервных волокнах значительно выше, чем в других удлиненных возбудимых структурах, — в гладких миоци-тах (0,02—0,10 м/с), рабочих кардиомиоцитах (около 1 м/с), и только в миоцитах проводя­щей системы сердца и скелетных миоцитах скорость проведения ПД (2—5 м/с) достигает величин распространения ПД в низкоско­ростных нервных волокнах (тип С и В). Передача возбуждения по нервным волокнам является наиболее скоростным из известных способов передачи информации на значи­тельные расстояния в организме. Для сравне­ния отметим, что скорость передачи гумо­ральных влияний ограничена скоростью кро­вотока, которая равна от 0,5 мм/с в капилля­рах до 0,25 м/с в аорте (средняя скорость).

4. Малая утомляемость нервного волокна. При нормальном кровоснабжении (доставке кислорода и питательных веществ) проводя­щий возбуждение нерв практически неутом­ляем. «Изумительно долгая неутомляемость нерва» впервые была показана Н.Е.Введен­ским (1883): в его опытах нерв сохранял спо­собность к проведению возбуждения в тече­ние 6—8 ч непрерывного раздражения не­сильными токами в условиях наличия кисло­рода в окружающей среде и поддержания влажного состояния нерва. Это обусловлено тем, что при проведении ПД по нервным во­локнам используется всего лишь одна милли­онная часть запасов трансмембранных ион­ных градиентов и, следовательно, нужны не­большие количества АТФ для восстановле­ния (например, посредством Na/K-насоса) ионных градиентов. Об энергетической эко­номности проведения возбуждения свиде­тельствует и низкая величина теплопро­дукции в работающем нерве, отражающая степень окислительного фосфорилирования в митохондриях. Ее величина в нерве (0,06 кал/г ткани в течение 1 ч) примерно в 16 раз меньше, чем на соответствующую еди­ницу массы в целом организме в условиях ос­новного обмена, и в миллион раз меньше, чем в работающей мышце.

5. Возможность функционального блока проведения возбуждения при морфологической целостности волокон. Н.Е.Введенский (1901) показал, что при действии различных факто­ров на нерв в нем сначала возникает транс­формация ритма проводимого возбуждения (блокируется проведение высокочастотных потенциалов действия, и проводятся только

низкочастотные ПД), а в дальнейшем может возникать полный блок проведения нервных импульсов — участок парабиоза. В этом участке возникает длительная деполяризация мембраны волокон, которая в результате за­крытия инактивационных h-ворот в натрие­вых каналах сначала затрудняет генерацию ПД (уменьшается его амплитуда, увеличива­ется длительность, затягивается фаза абсо­лютной рефрактерности), а в дальнейшем, если инактивация натриевых каналов превы­сит 50 %, приводит к полной невозбудимости этого участка нервного волокна. Для возник­новения блока в проведении возбуждения протяженность парабиотического участка должна превысить постоянную длину мем­браны (Хт), иначе ПД может распростра­ниться через этот участок электротонически (см. раздел 5.2.3). Нарушение физиологичес­кой непрерывности нервных волокон возни­кает при действии анестетиков, электричес­кого тока, при гипоксии, воспалении, охлаж­дении. После прекращения действия этих факторов проведение возбуждения по волок­нам нерва восстанавливается.