2. Электрическая возбудимость нервной клетки

У истоков современных представлений о механизмах возникнове­ния электрических потенциалов в живых тканях стоит теория электролитической диссоциации С. Аррениуса и разработанное на ее основе учение о гальваническом элементе. Было выдвинуто предполо­жение о том, что при возбуждении или повреждении клеток биологи­ческие явления связаны с возникновением диффузионных потенциа­лов. Эта идея возникла еще в конце XIX — начале XX в. Немецкий ученый В Оствальд (1890) обнаружил, что мембраны проницаемы не только для различных молекул растворенных веществ, но обладают неодинаковой проницаемостью по отношению к различным ионам. В частности, такие мембраны в ряде случаев оказываются совершенно непроницаемыми для анионов, в то же время пропуская катионы Вследствие этого на осадочных мембранах при неравенстве концент­раций электролитов могут возникать значительно большие разности потенциалов, чем это имеет место при свободной диффузии ионов

2.1. Потенциал покоя

Потенциал покоя — стационарная разность потенциалов покоя­щейся клетки между внутренним ее содержимым и наружным раство­ром. Первые косвенные данные о существовании такой разности по­тенциалов были получены в середине прошлого столетия исследова­телями, зарегистрировавшими электрический ток между поврежден­ным и интактным участками скелетной мышцы (ток покоя) Определив направление этого тока, Э. Дюбуа Реймон сделал вывод, что внутренняя часть мышцы заряжена отрицательно по отношению к наружной. Этот вывод в дальнейшем был распространен также на нервы и другие возбудимые образования

Первоначально прямые измерения потенциала покоя удалось осу­ществить на гигантских растительных клетках водоросли Nitella с по­мощью введенного в клетку электрода (1927). В опытах на животных клетках эта техника не нашла применения до тех пор, пока в практику физиологических исследований не был введен препарат гигантского аксона кальмара. Диаметр этого аксона (500—1000 мкм) позволял вво­дить в него длинный аксиальный электрод и непосредственно изме­рять разность потенциалов. Позднее была разработана техника стек­лянных микроэлектродов, пригодных для отведения потенциалов и от клеток малого диаметра — скелетных мышечных волокон, и волокон миокарда, и различных нейронов

16

Г.land I 11сирофи мюлей ия Клеточные основы обучения

2 Электрическая возбудимость першюи клетки

17

Состояние ионов в протоплазме. Для мембранной теории биопо­тенциалов исключительно важное значение имело установление того факта, что большая часть ионов К в протоплазме находится в свобод­ном состоянии, т.е. что протоплазма представляет собой свободный раствор этих ионов. При использовании К⁴² показано, что в гигант­ском аксоне кальмара не менее 90% внутриклеточного калия свободно диффундирует и перемещается в протоплазме под действием электри­ческих сил, так же как и во внешнем растворе. Несколько иной ре­зультат дали измерения внутриклеточной активности ионов Na. Пос­ледние были измерены с помощью натрий-чувствительных электро­дов на целом ряде объектов — скелетных мышцах, гигантском аксоне кальмара, гигантских мышечных волокнах балануса, гигантских ней­ронах моллюсков. У всех этих клеток коэффициенты активности ионов Na в протоплазме были примерно в два раза ниже, чем во вне­клеточном растворе. Это означает, что в то время как большая часть ионов К в протоплазме находится в свободном состоянии, примерно половина натрия либо связана, либо находится в каких-то внутрикле­точных включениях (компартментализована).

В отличие от Na и К, Са в протоплазме клеток (волокон) почти целиком находится в связанном состоянии. Так, в аксоплазме гигант­ского волокна кальмара из 400 мкм Са только 0,3 мкм находятся в ионизированном состоянии. Примерно 10 мкм Са связано с такими внутриклеточными анионами, как АТФ, цитрат, глутамат и др. Ос­тальной кальций находится во внутриклеточных органеллах, по-види­мому, в митохондриях.

В 60—70-е гг. годы широкое распространение получил метод внут­ риклеточной регистрации электрической активности нейронов мол­ люсков. Накопленные данные позволяли установить, что в норме по­ тенциал покоя нервной клетки равен -40 65 мВ. Эти значения в

принципе аналогичны тем, которые регистрируют при внутриклеточ­ной регистрации на нейронах высокоорганизованных позвоночных животных. Интересные результаты о первых минутах введения мик­роэлектродов внутрь клетки сообщают в своих работах Е.Н. Соколов и другие ученые (1969). В течение 10—30 мин возможно развитие про­цесса адаптации нейрона к введенному в него микроэлектроду. В тече­ние этого времени происходит стабилизация уровня мембранного по­тенциала. Сначала, сразу после введения микроэлектрода, клетка имеет несколько повышенный (деполяризованный) уровень мембран­ного потенциала. Это происходит по причине возможного физическо­го повреждения мембраны микроэлектродом. Однако постепенно ней­рон адаптируется к введенному в него инородному телу и уровень мембранного потенциала (МП) стабилизируется. МП может оставать-

ся стабильным в течение весьма долгого времени эксперимента — на­пример, на полностью изолированных нейронах в течение двух суток. Состояние клетки отражается на уровне мембранного потенциала покоя, поэтому исследователям крайне важно контролировать его зна­чение. В дальнейшем станет ясно, что в основе выводов о возможнос­ти обучения клетки, о развитии определенных форм активности, о яв­лениях, связанных с воздействием определенных внешних и внутрен­них факторов лежит контроль за уровнем МП.