Законы раздражения возбудимых тканей

Прежде чем рассмотреть эти законы, необходимо представить, каким образом происхо­дит возбуждение, т. е. какие условия должны возникнуть в возбудимой ткани, чтобы она реализовала свою способность возбуждаться. Основное условие — это снижение мембран­ного потенциала до критического уровня деполяризации (КУД). Любой агент, если он спо­собен это сделать, одновременно вызывает и возбуждение ткани. Например, МП -70 мВ. КУД = -50 мВ. Чтобы вызвать возбуждение, надо деполяризовать мембрану до -50 мВ, т. е. на 20 мВ снизить ее исходный потенциал покоя. Как только МП достигнет уровня КУД, то в дальнейшем процесс (в силу регенеративности) будет продолжаться самостоятельно и приведет к открытию всех натриевых каналов, т. е. к генерации полноценного ПД. Если мембранный потенциал не достигнет этого уровня, то в лучшем случае возникнет так назы­ваемый местный потенциал (локальный ответ).

Все агенты, которые вызывают гипсрполяризацию ткани, в момент воздействия не смо­гут вызвать возбуждение, т. к. в этом случае МП не достигает критического уровня деполя­ризации, а наоборот, уходит от него.

12

Три замечания:

1. В ряде возбудимых тканей величина мембранного потенциала по времени непостоян­на — она периодически снижается и самостоятельно достигает КУД, в результате чего воз­никает спонтанное возбуждение (автоматия). Это характерно дляаодителей ритма сердца, для некоторых гладких мышц, например, мышц матки.

2. Когда на ткань действует раздражитель (в подпороговой силе), то он может вызывать изменение КУД. Например, длительная подпороговая деполяризация приводит к тому, что КУД изменяется: допустим, в исходном состоянии он составляет -50 мВ, а в результате длительной деполяризации он становится равным -40 или -30 мВ. В такой ситуации вызы­вать возбуждение становится труднее. В целом, это явление получило название аккомода­ции возбудимой ткани. Оно лежит в основе закона градиента (не путать с понятием «акко­модация глаза»).

3. Для возбуждения ткани необходимо наличие внешнего раздражителя по отношению к этой ткани (исключение — ткани, обладающие автоматией). Такими раздражителями в ес­тественных условиях могут быть нервный импульс, выделение медиатора. В целом, в физи­ологии говорят о двух видах раздражителей — адекватных и неадекватных. Адекватные раздражители — это такие воздействия, которые «в малых дозах» способны вызвать воз­буждение (ткань в процессе эволюции к ним приспособлена). Например, квант света для фоторецептора, нервный импульс для синапса. Неадекватный раздражитель тоже способен вызывать возбуждение, но для этого он должен быть использован в больших «дозах», в результате чего ткань может повреждаться. -

Для того чтобы раздражитель вызвал возбуждение, он должен быть: 1. достаточно силь­ным (закон силы), 2. достаточно длительным (закон времени), 3. достаточно быстро нарас­тать (закон градиента). Если эти условия не соблюдаются, то возбуждения не происходит. Рассмотрим подробнее эти законы раздражения и следствия, которые из них вытекают.

Закон силы. Чтобы возникло возбуждение, раздражитель должен быть достаточно сильным — пороговым или выше порогового. Обычно под термином «порог» понимается мини­мальная сила раздражителя, которая способна вызвать возбуждение. Например, чтобы вы­звать возбуждение нейрона при МП = -70 мВ и КУД = -50 мВ, пороговая сила должна быть равной -20 мВ. Этот закон рассматривает также зависимость амплитуды ответа возбудимой ткани от силы раздражителя (раздражитель по силе ниже пороговой величины, равен или i выше ее). Для одиночных образований (нейрон, аксон, нервное волокно) эта зависимость носит название правила «все или ничего». Например, регистрируется ответ ткани — потен­циал действия аксона. В качестве параметра ответа возьмем его амплитуду. Пусть величи­на раздражителя составляет 10 мВ, ответ отсутствует (раздражитель является допороговым), далее — раздражитель равен 30 мВ — возникает ответ в виде ПД, его амплитуда равна 130 мВ. Увеличим силу раздражителя (до 50 мВ) — вновь генерируется ответ в виде потенциала действия, его амплитуда равна 130 мВ. Следующий раздражитель по силе — 100 мВ, амплитуда ПД — 130 мВ. Вот пример правила «все или ничего».

Если речь идет о целом образовании, например, нервный ствол, содержащий отдельные аксоны, или о скелетной мышце как совокупности отдельных мышечных волокон, то в этом случае каждое отдельное волокно тоже отвечает на раздражитель по типу «все или ниче­го», но если регистрируется суммарная активность объекта (например, внеклеточно отво­димый ПД), то его амплитуда в определенном диапазоне находится в градуальной зависи­мости от силы раздражителя: чем больше сила раздражителя, тем больше ответ.

Пример: пусть имеется нервный ствол, состоящий из 10 аксонов. Пороги раздражения для них таковы: 30 мВ — 1-й, 40 мВ — 2, 3, 4-й, 50 мВ — 5, 6, 7, 8-й и 60 мВ — 9 и 10-й аксоны. Следовательно, при 30 мВ активируется 1 аксон, при 40 мВ — 4 (1-й + 2, 3,4-й), при 50 мВ — 8 (1-й + 2, 3,4-й + 5, б, 7, 8-й), а при 60 мВ — все 10 волокон. Таким образом, в пределах , от 30 до 60 мВ имеет место градуальная зависимость. При дальнейшем увеличении силы раздражителя амплитуда суммарного ответа постоянна.

Одно важное следствие этого закона — введено понятие «порог раздражения» (мини­мальная сила раздражителя, способного вызвать возбуждение). Определяя этот показатель,

13

исследователь получает возможность оценивать возбудимость объекта и сравнивать его с другими возбудимыми объектами или оценивать изменение возбудимости во времени, на­пример, при оценке длительности абсолютной рефракторной фазы.

В данном (приведенном выше) примере с десятью аксонами мы можем сказать, что са­мый возбудимый аксон — это аксон под номером 1, а самая низкая возбудимость у аксонов под номерами 9 и 10.

Закон времени (или зависимость пороговой силы раздражителя от времени его дейст­вия). Этот закон утверждает: раздражитель, вызывающий возбуждение, должен быть доста­точно длительным, воздействовать на ткань некоторое время, чтобы вызвать возбуждение. Оказалось, что в определенном диапазоне зависимость пороговой силы раздражителя от длительности его действия носит характер обратной зависимости (гипербола) — чем мень­ше по времени действует на ткань раздражитель, тем выше требуется его сила для инициа­ции возбуждения. На кривой (Гоорвега-Вейса-Лапика) выделяют области, которые свиде­тельствуют о том, что если раздражитель достаточно длительный, то пороговая сила раз­дражителя не зависит от его длительности. Эта минимальная сила получила название «ре-

14

обаза». Начиная с некото­рой величины длительнос­ти импульса, пороговая сила его зависит от дли­тельности — чем меньше длительность, тем выше должна быть сила раздра­жителя. Вводится понятие «полезное время» — мини­мальное время, в течение которого раздражитель данной силы должен воз­действовать на ткань, что­бы вызвать возбуждение. Если сила раздражителя равна двум реобазам, то полезное время для такого раздражителя получает еще одно название — хронаксия. (Итак, хронак­сия — это полезное вре­мя раздражителя, сила ко­торого равна 2 реобазам). В клинической медицине и в физиологии реобаза и хронаксия широко приме­няются для оценки состоя­ния возбудимых тканей,

например, в клинике нервных болезней, в хирургии при лечении ранений нервов. Возбуди­мые ткани существенно отличаются друг от друга по этим показателям. Например, у нер­вов, снабжающих переднюю группу проксимальных мышц верхних конечностей хронаксия равна 0,08—0,16 мс, а у мышц — 0,2—0,5 мс, т. е. намного больше. При поражении нерва хронаксия увеличивается. В физиологии и клинической практике используется специаль­ный прибор — хронаксиметр, позволяющий определить хронаксию и реобазу мышц (двигательная хронаксия), чувствительных нервных волокон (чувствительная хронаксия), вести­булярного аппарата (при раздражении сосцевидного отростка), сетчатки (вспышки света при ее электрической стимуляции).

Второе важное следствие этого закона: слишком короткие по длительности импульсы не способны вызвать возбуждение, каким бы сильным ни был стимул. Это применяется в физиотерапии: используют токи высокой частоты для получения калорического эффекта.

Закон градиента. Для того, чтобы раздражитель вызвал возбуждение, он должен нарас­тать достаточно быстро. Если раздражитель нарастает медленно, то в силу развития акко­модации (инактивации натриевых каналов), происходит повышение порога раздражения, поэтому для получения возбуждения величина стимула должна быть больше, чем, если бы он нарастал мгновенно. Зависимость величины пороговой силы раздражителя от скорости его нарастания тоже носит гиперболический характер (является обратно-пропорциональ­ной зависимостью). Минимальный градиент — это минимальная скорость нарастания раз­дражителя, при которой ткань еще способна ответить возбуждением на данный раздражи­тель. Этот показатель тоже используется для характеристики возбудимости. Нерв, облада­ющий более высокой возбудимостью, чем скелетная мышца, быстрее аккомодирует, поэто­му минимальный градиент у него выше (например, 10 мА/с), чем у мышцы (2 мА/с, к при­меру). В практике, исходя из существования такого закона, для нанесения электрического

15

раздражения на возбудимую ткань с целью оценки ее функционального состояния обычно используют прямоугольные электростимулы — стимулы, у которых фронт нарастания очень высокий (бесконечно быстрый). Для определения минимального градиента и других пока­зателей, характеризующих свойство аккомодации, используются пилообразные токи; на­клон пилы регулируется, и это позволяет определить минимальный градиент.

В целом, закон градиента имеет и другие аспекты, например, методика применения ле­карственных веществ, закаливающих процедур.

СООТНОШЕНИЕ ФАЗ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ И ВОЗБУДИМОСТИ

Когда ткань возбуждается — генерирует ПД, то временно (соответственно с длительно­стью ПД) в ней меняется возбудимость: вначале ткань становится совершенно невозбуди­мой (абсолютная рефрактерность) — любой по силе стимул не способен вызвать в ней но­

вый приступ возбуждения. Эта фаза обычно наблюдается во вре­мя пика ПД. Затем происходит по­степенное восстановление возбу­димости до исходного состояния (фаза относительной рефрактерности) — в этот момент раздражи­тель может вызвать возбуждение (генерацию нового ПД), но для этого он должен быть намного больше порогового (исходного). Затем (в фазу следовой негативности) возбудимость повышается (су­первозбудимость, или фаза экзаль­тации). В этот момент подпороговые раздражители могут вызывать возбуждение. Наконец, в тканях, в которых ярко проявляется следо­вая гиперполяризация, наблюдает­ся еще одна фаза — субнормаль­ной возбудимости (сниженной воз­будимости).

У аксона, у сомы нервной клет­ки, у скелетных мышц длитель­ность абсолютной рефрактерности составляет 0,5—2 мс, длитель­ность относительной рефрактерности — 5—10 мс, длительность супернормальной возбудимости — в пределах 20—50 мс. У сердечной мышцы длительность АРФ около 300 мс — намного больше и это имеет большой физиологический смысл — это период, запрещен­ный для нового сокращения. В основе рефрактерности лежат процессы инактивации натриевых каналов и восстановления актив­ности этих каналов.

16

Как определить длительность АРФ, ОРФ? Для этого обычно объект исследования раз­дражают двумя стимулами: вначале наносится 1-й стимул (надпороговый), в ответ на кото­рый ткань генерирует ПД, затем, с регулируемым (по желанию экспериментатора) интер­валом подается 2-й стимул той же силы. Если он вызывает ПД, то исследование повторяют и интервал между 1-м и 2-м стимулом уменьшают. Эта процедура длится до тех пор, пока второй стимул не будет способен вызвать ПД, даже если величина стимула будет намного превышать исходное значение.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗБУДИМОСТИ НЕРВОВ И МЫШЦ

Для исследования возбудимости можно применить такие показатели как порог раздра­жения, реобазу, хронаксию, скорость аккомодации, минимальный градиент, длительность АРФ и ОРФ (см. выше). Лабильность возбудимых тканей определяется по максимальному числу возбуждений в единицу времени в ответ на ритмические раздражения, а также по длительности абсолютной рефракторной фазы.

ДЕЙСТВИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ТКАНИ

В 1859 г. Пфлюгер сформулировал закон полярного действия тока: при действии посто­янного тока возбуждение происходит только в момент замыкания или только в момент раз­мыкания цепи постоянного тока. При этом в момент замыкания оно возникает под катодом, а в момент размыкания — под анодом. Почему важен этот закон и сейчас, более 100 лет с момента его открытия? Дело в том, что понимание этого закона дало возможность объяс­нить возбуждение и процессы, лежащие в его основе. Он объясняет механизмы, лежащие в основе изменения КУД. Итак, этот закон — пробный камень общей физиологии возбуди­мых тканей.

При замыкании цепи постоянного тока изменяется сила раздражителя. Поэтому воз­буждение возникает либо в момент замыкания, либо в момент размыкания (по сути — это закон градиента). При замыкании под катодом происходит деполяризация, и если она до­статочна для достижения КУД, то возникает возбуждение — генерируется ПД. Если этого не происходит, то в области катода изменяется возбудимость: она возрастает вначале (электротон, катэлектротон), но потом, вследствие инактивации натриевых каналов резко сни­жается. Это получило название католической депрессии. Явление депрессии открыл перм­ский физиолог Б. Ф. Вериго. Это явление, вероятно, лежит в основе такого процесса, как пресинаптическое торможение. Под анодом при замыкании цепи постоянного тока повы­шается величина мембранного потенциала — возникает гиперполяризация. Поэтому при замыкании цепи тока возбуждение не возникает. Возбудимость снижается (явление анэлектрона). Однако, если ток действует долго, то в условиях гиперполяризации КУД снижается (МП приближается к исходному уровню), поэтому при размыкании цепи тока в области анода возникает возбуждение (быстро уменьшающаяся величина мембранного потенциала «достигает» КУД).

Итак, явление анэлектротона и феномен появления возбуждения в области анода при размыкании цепи постоянного тока вскрыли важный механизм — изменение КУД в процес­се функционирования возбудимых тканей.

Закон полярного действия тока может использоваться и на практике: если требуется заблокировать проведение возбуждения по нерву (болевая рецепция, например), то можно использовать постоянный ток, при этом в области расположения анода возбудимость будет снижена, что приведет к блоку проведения возбуждения. Аналогично — при длительной деполяризации в области катода (когда возникает католическая депрессия).

17