2.1.2.4. Механизмы генерации потенциала действия

Кроме постоянно существующего в клетке «тока повреж­дения» — потенциала покоя Дюбуа-Реймоном были обнаруже­ны при электрическом раздражении нерва быстрые колебания «тока повреждения», направленные в сторону его уменьшения. С помощью высокочувствительного гальванометра Бернштейну удалось приблизительно определить, как протекают во времени быстрые колебания потенциала, получившие в дальнейшем в отличие от потенциала покоя название потенциала действия. Длительность потенциала действия составляла тысячные доли секунды (мс).

Революционное значение имело использование в физиоло­гическом эксперименте в начале 30-х годов XX в. Эрлангером и Гассером безынерционного регистрирующего прибора — элект­ронного катодного осциллографа, включающего в себя элект­ронный усилитель. Измерения с помощью катодного осцилло­графа показали, что в нервных волокнах возникают потенциалы действия, длительность которых у теплокровных животных со­ставляет 0,4...2 мс. Определенные методические трудности воз­никли с измерением истинной амплитуды потенциала дей­ствия. Напомним, что согласно Бернштейну клеточная мембра­на в состоянии возбуждения теряет избирательную проницае­мость к какому-либо иону и становится в равной мере про­ницаемой для всех ионов, при этом потенциал покоя снижается до нуля. В начальных экспериментах из-за несовершенства ме­тодов работы с одиночными нервными волокнами и клетками измерения амплитуды потенциалов действия даже с использо­ванием электронных усилителей и осциллографа давали не-

48

Рис. 2.9. Изменение мембранного потенциала нервной клетки при возбуждении:

Л — схема установки для электрического раздражения и регистрации мембранного потенциала: /, 2 — раздражающие электроды; 3, 4— регистрирующие электроды; стрелками показано на­правление раздражающего электрического тока, деполяризующего (д) и гиперполяризующего (г) нервную мембрану; Б — изменение мембранного потенциала нервной клетки: 1 — локаль­ный ответ; 2—деполяризация мембраны (исчезновение заряда мембраны с последующей ее перезарядкой); 3— реполяризация мембраны; 4 — следовая гиперполяризация; 5—критичес­кий уровень деполяризации (порог возникновения потенциала действия); внизу — отметка стимулирующего тока; отклонение вверх — деполяризующий ток, отклонение вниз — гиперпо-

ляризующий ток

однозначные результаты, причем во всех случаях величина по­тенциала действия не превышала нескольких милливольт, что согласовывалось с положением Бернштейна. Усовершенствова­ние методов исследования, и в частности применение внутри­клеточной регистрации потенциалов с помощью микроэлектро­дов, показало, что амплитуда потенциала действия больше, чем потенциала покоя.

49

Рисунок 2.9 иллюстрирует изменение мембранного потенциала нервной клетки при возбуждении. Для измерения мембранного потенциала применили систему с микроэлектродом, введенным внутрь клетки, соединенным с электронным усилителем и катод­ным осциллографом. Клетку возбуждали кратковременными им­пульсами электрического тока различной полярности, подводимых с помощью микроэлектрода. В покое мембранный потенциал имеет отрицательный знак внутри клетки. Когда через мембрану

4 — 3389

клетки пропускают от внешнего источника кратковременный электрический ток, направленный внутрь клетки, мембранный потенциал увеличивается в соответствии с приложенной силой тока за счет накопления дополнительных зарядов на поверхности мембраны. На рисунке видно отклонение исходного уровня по­тенциала мембраны вниз. Если отрицательный потенциал на мембране увеличивается, то мембрана гиперполяризуется. После выключения тока потенциал возвращается к исходному уровню — мембрана реполяризуется. При пропускании электрического тока, направленного из клетки, мембранный потенциал снижа­ется вследствие уменьшения зарядов на поверхности мембра­ны — мембрана деполяризуется. Однако в отличие от гиперпо­ляризации при деполяризации мембраны, начиная с некоторых значений, мембранный потенциал после выключения деполяри­зующего тока восстанавливается не сразу, а продолжает некото­рое время увеличиваться. Время спада замедляется, и на нисхо­дящей части появляется своеобразный «горб» (см. рис. 2.9, Б). Данная реакция клетки названа локальным ответом. При дальнейшем увеличении силы тока локальный ответ стано­вится более выраженным и, наконец, при достижении определен­ной силы тока, называемой пороговой, мембранный потен­циал начинает стремительно падать до нулевого значения, а затем увеличивается в сторону положительного значения, т. е. внутрен­няя часть клеточной мембраны становится электроположитель­ной. Достигнув определенной амплитуды, мембранный потенциал начинает снижаться несколько медленнее, чем в своей восходя­щей части. Перейдя нулевое значение, он возвращается к исход­ному, но не остается на этом уровне, а продолжает еще некоторое время падать до нового значения, более электронегативного, чем первоначальный потенциал покоя. Затем сравнительно медленно возвращается к исходному уровню (см. рис. 2.9, Б).

Длительность изменения мембранного потенциала — потенци­ала действия в части, превышающей исходную величину потен­циала покоя, составляет у различных нервных клеток позвоноч­ных животных 0,5...2мс. Длительность же части, находящейся ниже первоначального уровня потенциала покоя, может быть в 2...3 раза больше длительности восходящей части потенциала дей­ствия. Следует отметить, что при вариациях раздражающего тока, имеющего амплитуду выше порогового значения, величина потенциала действия во всех случаях имела одинаковую амплиту­ду. Таким образом, при достижении порогового значения даль­нейшая деполяризация мембраны, отвечающая за фазу подъема по­тенциала действия, становится лавинообразно нарастающей, само­усиливающейся (регенеративной) и не зависит уже от силы раз­дражающего электрического стимула, т. е. генерация потенциала действия происходит по принципу «все или ничего». Как увидим в дальнейшем, это свойство имеет чрезвычайно важное значение

для эффективного и надежного распространения в нервной сис­теме возбуждения на большие расстояния.

Рассмотрим механизмы генерации потенциала действия. В предыдущем разделе мы разбирали природу мембранного потенциала в покоящейся клетке и выяснили, что каждый ион соответственно концентрации и проницаемости через мембрану вносит определенный вклад в величину мембранного потенциа­ла — потенциала покоя. При высокой проницаемости мембра­ны для определенных ионов они могут стать главными по-тенциалобразующими ионами. В большинстве случаев главны­ми потенциалобразующими ионами в состоянии покоя являют­ся ионы калия с равновесным потенциалом — 100 мВ. Вследст­вие того что для ионов натрия соотношение вне/внутриклеточ­ной концентрации является противоположным таковому для ионов калия, равновесный потенциал для них будет со знаком «плюс» и составит 60 мВ. Однако из-за низкой проницаемости мембраны к ионам натрия они смещают мембранный потенци­ал в положительную сторону (деполяризуют) в пределах 10 мВ. При возбуждении мембранный потенциал на короткое время становится положительным, т. е. имеет знак равновесного по­тенциала для ионов натрия (см. рис. 2.9). Такая ситуация мо­жет быть при условии, что проницаемость мембраны увеличит­ся для ионов натрия и будет намного превышать в это время проницаемость для ионов калия.

Действительно, проведенные в конце 30-х годов XX в. К. Коу-лом и Г. Кертисом опыты по измерению проницаемости, а точ­нее — проводимости нервной мембраны во время генерации по­тенциала действия четко продемонстрировали ее значительное увеличение. Стоит указать, что при проведении электрофизиоло­гических опытов чаще всего оперируют термином «ионная прово­димость». Несмотря на то что «ионная проводимость» и «ионная проницаемость» не одно и то же, эти свойства мембраны тесно связаны между собой и имеют одинаковую размерность — см/с. Проводимость мембраны служит мерой ее ионной проницаемос­ти. Чем выше проводимость, тем больше ионов может пересечь мембрану за единицу времени по ионным каналам под действи­ем электрической силы — разности потенциалов. В пользу ге­нерации потенциалов действия за счет ионов натрия свиде­тельствовали также и результаты экспериментов с вариацией во внешней среде ионов натрия. При частичной замене ионов натрия на другие одновалентные ионы, например ионы холина, амплитуда потенциалов действия уменьшалась, а при полной заме­не потенциалы действия не генерировались в ответ на электри­ческое раздражение.

Существенный вклад в развитие «натриевой гипотезы» генера­ции потенциалов действия внесли классические работы А. Ходж-кина, А. Хаксли и Б. Катца. Ими было показано, что проводи-

50

■»*

51

мость мембраны для ионов натрия зависит от величины мембран­ного потенциала. Сделать это удалось с введением в начале 50-х годов XX в. в практику физиологического эксперимента мето­дики, позволяющей с высокой точностью фиксировать потенци­ал на мембране на различных значениях. Эта методика была сначала использована для измерения ионных токов на так называ­емых «гигантских» нервных волокнах головоногих моллюсков — кальмарах и каракатицах, которые имеют действительно чрез­вычайно большой диаметр — 1,5...2 мм, тогда как максимальный диаметр отдельных нервных волокон у позвоночных животных 0,01...0,015 мм. Затем различные модификации этой методики были успешно применены на отдельных нервных клетках и во­локнах позвоночных животных.

При обычной методике электрического раздражения и регист­рации потенциалов действия не удается проследить динамику ионного тока через мембрану в зависимости от величины мемб­ранного потенциала, поскольку после превышения порогового значения процесс изменения мембранного потенциала становит­ся взрывоподобным, неуправляемым (см. рис. 2.9). Согласно но­вой методике мембранный потенциал фиксируется с помощью электронной системы обратной связи (усилителя обратной связи). Его можно изменять на строго определенную величину, но при этом возникновение регенеративного взрывоподобного измене­ния не происходит. Согласно закону Ома напряжение на мембра­не Е_м, ее проводимость G и сила ионного тока У, проходящего че­рез мембрану, связаны соотношением

E_M = I/G. (19)

Таким образом, если напряжение на мембране поддерживается постоянным, то изменение тока будет однозначно связано с изме­нением проводимости мембраны, которое, в свою очередь, обус­ловлено активированием (открыванием) или инактивированием (закрыванием) ионных каналов. При помощи усилителя обратной связи мембранный потенциал сравнивается с потенциалом, кото­рый мы задаем на мембране. Любое отклонение мембранного по­тенциала от заданного усиливается усилителем обратной связи, и на его выходе возникает управляющий ток. Этот ток течет через электроды, находящиеся по обе стороны мембраны, в таком на­правлении, что мембранный потенциал вновь становится равным заданному. Ток от усилителя обратной связи можно легко изме­рить, причем он будет равен по величине току, проходящему через каналы при соответствующем напряжении на мембране.

Каким же образом будет изменяться ток через мембрану нерв­ного волокна при различных фиксированных значениях потенци­ала? Будем изменять мембранный потенциал в той же последова­тельности, как это делалось в опытах без фиксации напряжения