Cosa succede durante la depolarizzazione. Fisiologia dei tessuti eccitabili

Tutta l'attività nervosa funziona con successo grazie all'alternanza di fasi di riposo ed eccitabilità. Guasti nel sistema di polarizzazione interrompono la conduttività elettrica delle fibre. Ma oltre alle fibre nervose, ci sono altri tessuti eccitabili: endocrini e muscolari.

Ma considereremo le caratteristiche dei tessuti conduttivi e, usando l'esempio del processo di eccitazione delle cellule organiche, parleremo del significato del livello critico di depolarizzazione. La fisiologia dell'attività nervosa è strettamente correlata ai livelli di carica elettrica all'interno e all'esterno della cellula nervosa.

Se un elettrodo è collegato al guscio esterno dell'assone e l'altro alla sua parte interna, è visibile una differenza di potenziale. L'attività elettrica delle vie nervose si basa su questa differenza.

Che cosa sono il potenziale di riposo e il potenziale d'azione?

Tutte le cellule del sistema nervoso sono polarizzate, cioè hanno cariche elettriche diverse all'interno e all'esterno di una speciale membrana. Una cellula nervosa ha sempre una propria membrana lipoproteica, che ha la funzione di isolante bioelettrico. Grazie alle membrane nella cellula si crea un potenziale di riposo, necessario per la successiva attivazione.

Il potenziale di riposo è mantenuto dal trasporto ionico. Il rilascio di ioni potassio e l'ingresso di cloro aumentano il potenziale di membrana a riposo.

Il potenziale d'azione si accumula nella fase di depolarizzazione, cioè nell'aumento della carica elettrica.

Fasi del potenziale d'azione. Fisiologia

Quindi, la depolarizzazione in fisiologia è una diminuzione del potenziale di membrana. La depolarizzazione è la base per il verificarsi dell'eccitabilità, cioè del potenziale d'azione per una cellula nervosa. Quando viene raggiunto un livello critico di depolarizzazione, nessuno stimolo, nemmeno forte, è in grado di provocare reazioni nelle cellule nervose. C'è molto sodio all'interno dell'assone.

Questa fase è immediatamente seguita da una fase di relativa eccitabilità. Una risposta è già possibile, ma solo a un forte segnale di stimolo. L'eccitabilità relativa si sposta lentamente nella fase di esaltazione. Cos'è l'esaltazione? Questo è il picco dell'eccitabilità dei tessuti.

Per tutto questo tempo, i canali di attivazione del sodio sono chiusi. E la loro apertura avverrà solo una volta scaricate. La ripolarizzazione è necessaria per ripristinare la carica negativa all'interno della fibra.

Cosa significa livello critico di depolarizzazione (CLD)?

Quindi, l'eccitabilità, in fisiologia, è la capacità di una cellula o di un tessuto di rispondere a uno stimolo e generare qualche tipo di impulso. Come abbiamo scoperto, le cellule hanno bisogno di una certa carica, la polarizzazione, per funzionare. L'aumento di carica da meno a più si chiama depolarizzazione.

Dopo la depolarizzazione c'è sempre la ripolarizzazione. La carica al suo interno dopo la fase di eccitazione deve diventare nuovamente negativa affinché la cellula possa prepararsi alla reazione successiva.

Quando le letture del voltmetro sono fissate su 80, riposa. Si verifica dopo la fine della ripolarizzazione e se il dispositivo mostra un valore positivo (maggiore di 0), significa che la fase inversa alla ripolarizzazione si sta avvicinando al livello massimo, il livello critico di depolarizzazione.

Come vengono trasmessi gli impulsi dalle cellule nervose ai muscoli?

Gli impulsi elettrici generati quando la membrana è eccitata vengono trasmessi lungo le fibre nervose ad alta velocità. La velocità del segnale è spiegata dalla struttura dell'assone. L'assone è parzialmente avvolto da una guaina. E tra le aree con mielina ci sono i nodi di Ranvier.

Grazie a questa disposizione della fibra nervosa, una carica positiva si alterna a una negativa e la corrente depolarizzante si diffonde quasi contemporaneamente lungo l'intera lunghezza dell'assone. Il segnale di contrazione raggiunge il muscolo in una frazione di secondo. Un indicatore come il livello critico di depolarizzazione della membrana indica il punto in cui viene raggiunto il potenziale d'azione di picco. Dopo la contrazione muscolare lungo l'intero assone, inizia la ripolarizzazione.

Cosa succede durante la depolarizzazione?

Cosa significa un indicatore come il livello critico di depolarizzazione? In fisiologia ciò significa che le cellule nervose sono già pronte per funzionare. Il corretto funzionamento dell'intero organo dipende dal normale e tempestivo cambiamento delle fasi del potenziale d'azione.

Il livello critico (CLL) è di circa 40-50 Mv. In questo momento, il campo elettrico attorno alla membrana diminuisce. dipende direttamente da quanti canali del sodio sono aperti nella cellula. La cellula in questo momento non è ancora pronta a rispondere, ma raccoglie potenziale elettrico. Questo periodo è chiamato refrattarietà assoluta. La fase dura solo 0,004 s nelle cellule nervose e nei cardiomiociti - 0,004 s.

Dopo aver superato un livello critico di depolarizzazione, si verifica la supereccitabilità. Le cellule nervose possono rispondere anche all'azione di uno stimolo sottosoglia, cioè a un'influenza relativamente debole dell'ambiente.

Funzioni dei canali del sodio e del potassio

Quindi, un partecipante importante nei processi di depolarizzazione e ripolarizzazione è il canale ionico proteico. Scopriamo cosa significa questo concetto. I canali ionici sono macromolecole proteiche situate all'interno della membrana plasmatica. Quando sono aperti, gli ioni inorganici possono attraversarli. I canali proteici hanno un filtro. Solo il sodio passa attraverso il condotto del sodio e solo questo elemento passa attraverso il condotto del potassio.

Questi canali controllati elettricamente hanno due porte: una è l'attivazione e ha la proprietà di consentire il passaggio degli ioni, l'altra è l'inattivazione. Nel momento in cui il potenziale di membrana a riposo è -90 mV, il cancello è chiuso, ma quando inizia la depolarizzazione, i canali del sodio si aprono lentamente. Un aumento del potenziale porta ad una brusca chiusura delle valvole dei condotti.

Un fattore che influenza l'attivazione dei canali è l'eccitabilità della membrana cellulare. Sotto l'influenza dell'eccitabilità elettrica, vengono attivati 2 tipi di recettori ionici:

viene attivata l'azione dei recettori dei ligandi - per i canali chemio-dipendenti;
per i canali controllati elettricamente viene fornito un segnale elettrico.

Quando viene raggiunto un livello critico di depolarizzazione della membrana cellulare, i recettori danno un segnale che tutti i canali del sodio devono essere chiusi e i canali del potassio iniziano ad aprirsi.

Pompa sodio-potassio

I processi di trasferimento degli impulsi di eccitazione si verificano ovunque a causa della polarizzazione elettrica, effettuata a causa del movimento degli ioni sodio e potassio. Il movimento degli elementi avviene in base al principio degli ioni: 3 Na + verso l'interno e 2 K + verso l'esterno. Questo meccanismo metabolico è chiamato pompa sodio-potassio.

Depolarizzazione dei cardiomiociti. Fasi della contrazione cardiaca

I cicli di contrazione cardiaca sono anche associati alla depolarizzazione elettrica delle vie di conduzione. Il segnale di contrazione proviene sempre dalle cellule SA situate nell'atrio destro e si diffonde lungo la via del sibilo fino al fascio di Thorel e Bachmann fino all'atrio sinistro. I rami destro e sinistro del fascio Hiss trasmettono il segnale ai ventricoli del cuore.

Le cellule nervose si depolarizzano più velocemente e trasmettono il segnale grazie alla presenza di, ma anche il tessuto muscolare si depolarizza gradualmente. Cioè, la loro carica passa da negativa a positiva. Questa fase del ciclo cardiaco è chiamata diastole. Tutte le cellule qui sono interconnesse e agiscono come un unico complesso, poiché il lavoro del cuore deve essere il più coordinato possibile.

Quando si verifica un livello critico di depolarizzazione delle pareti dei ventricoli destro e sinistro, viene generato un rilascio di energia: il cuore si contrae. Quindi tutte le cellule si ripolarizzano e si preparano per una nuova contrazione.

Depressione Verigo

Nel 1889 fu descritto un fenomeno in fisiologia chiamato depressione cattolica di Verigo. Il livello critico di depolarizzazione è il livello di depolarizzazione al quale tutti i canali del sodio sono già inattivati e i canali del potassio funzionano invece. Se il grado di corrente aumenta ancora di più, l'eccitabilità della fibra nervosa diminuisce in modo significativo. E il livello critico di depolarizzazione sotto l'influenza degli stimoli va fuori scala.

Durante la depressione di Verigo, la velocità di conduzione dell'eccitazione diminuisce e, infine, si attenua completamente. La cellula inizia ad adattarsi modificando le sue caratteristiche funzionali.

Meccanismo di adattamento

Succede che in determinate condizioni la corrente depolarizzante non cambia per molto tempo. Questo è caratteristico delle fibre sensoriali. Un aumento graduale e a lungo termine di tale corrente al di sopra della norma di 50 mV porta ad un aumento della frequenza degli impulsi elettronici.

In risposta a tali segnali, aumenta la conduttanza della membrana del potassio. Vengono attivati i canali più lenti. Di conseguenza, il tessuto nervoso diventa capace di risposte ripetute. Questo si chiama adattamento delle fibre nervose.

Durante l'adattamento, invece di un gran numero di segnali brevi, le cellule iniziano ad accumularsi e a rilasciare un unico forte potenziale. E gli intervalli tra due reazioni aumentano.

L'impulso elettrico che viaggia attraverso il cuore e innesca ogni ciclo di contrazione è chiamato potenziale d'azione; rappresenta un'onda di depolarizzazione a breve termine, durante la quale il potenziale intracellulare in ciascuna cellula diventa a sua volta positivo per un breve periodo e poi ritorna al suo livello negativo originale. Le variazioni del normale potenziale d'azione cardiaco hanno una caratteristica progressione nel tempo, che per comodità viene suddivisa nelle seguenti fasi: fase 0 - iniziale rapida depolarizzazione della membrana; fase 1 - ripolarizzazione rapida ma incompleta; fase 2 - plateau, o depolarizzazione prolungata, caratteristica del potenziale d'azione delle cellule cardiache; fase 3 - ripolarizzazione veloce finale; fase 4 - periodo diastole.

Durante un potenziale d'azione, il potenziale intracellulare diventa positivo, poiché la membrana eccitata diventa temporaneamente più permeabile al Na+ (rispetto al K+) , pertanto, il potenziale di membrana per qualche tempo si avvicina in valore al potenziale di equilibrio degli ioni sodio (E Na) - E N e può essere determinato utilizzando il rapporto di Nernst; a concentrazioni extracellulari e intracellulari di Na + 150 e 10 mM, rispettivamente, sarà:

Tuttavia, l'aumentata permeabilità al Na+ persiste solo per un breve periodo, per cui il potenziale di membrana non raggiunge E Na e ritorna al livello di riposo dopo la fine del potenziale d'azione.

I suddetti cambiamenti di permeabilità, che causano lo sviluppo della fase di depolarizzazione del potenziale d'azione, si verificano a causa dell'apertura e chiusura di speciali canali di membrana, o pori, attraverso i quali passano facilmente gli ioni sodio. Si ritiene che il gating regoli l'apertura e la chiusura dei singoli canali, che possono esistere in almeno tre conformazioni: aperto, chiuso e inattivato. Un cancello corrispondente alla variabile di attivazione M nella descrizione di Hodgkin-Huxley, le correnti di ioni sodio nella membrana dell'assone gigante del calamaro si muovono rapidamente per aprire un canale quando la membrana viene improvvisamente depolarizzata da uno stimolo. Altre porte corrispondenti alla variabile di inattivazione H nella descrizione di Hodgkin-Huxley si muovono più lentamente durante la depolarizzazione e la loro funzione è quella di chiudere il canale (Fig. 3.3). Sia la distribuzione stazionaria delle porte all'interno del sistema di canali che la velocità della loro transizione da una posizione all'altra dipendono dal livello del potenziale di membrana. Pertanto, i termini dipendente dal tempo e dipendente dalla tensione vengono utilizzati per descrivere la conduttanza del Na+ della membrana.

Se la membrana a riposo viene improvvisamente depolarizzata a un potenziale positivo (ad esempio, in un esperimento di tensione), il cancello di attivazione cambierà rapidamente la sua posizione per aprire i canali del sodio, quindi il cancello di inattivazione li chiuderà lentamente (Figura 3.3). . La parola lento qui significa che l'inattivazione richiede pochi millisecondi, mentre l'attivazione avviene in una frazione di millisecondo. Le porte rimangono in queste posizioni finché il potenziale di membrana non cambia nuovamente e affinché tutte le porte ritornino al loro stato di riposo originale, la membrana deve essere completamente ripolarizzata ad un livello di potenziale negativo elevato. Se la membrana viene ripolarizzata solo a un basso livello di potenziale negativo, alcune porte di inattivazione rimarranno chiuse e il numero massimo di canali del sodio disponibili che possono aprirsi dopo la successiva depolarizzazione sarà ridotto. (L'attività elettrica delle cellule cardiache in cui i canali del sodio sono completamente inattivati sarà discussa di seguito.) La completa ripolarizzazione della membrana alla fine di un normale potenziale d'azione assicura che tutte le porte ritornino al loro stato originale e siano quindi pronte per l'azione successiva potenziale.

Riso. 3.3. Rappresentazione schematica dei canali di membrana per i flussi ionici verso l'interno al potenziale di riposo, nonché durante l'attivazione e l'inattivazione.

A sinistra c'è la sequenza degli stati del canale ad un potenziale di riposo normale di -90 mV. A riposo, le porte di inattivazione sia del canale Na+ (h) che del canale lento Ca 2+/Na+ (f) sono aperte. Durante l'attivazione dopo l'eccitazione della cellula, il t-gate del canale Na + si apre e il flusso in entrata di ioni Na + depolarizza la cellula, il che porta ad un aumento del potenziale d'azione (grafico sotto). L'h-gate poi si chiude, inattivando così la conduzione del Na+. All'aumentare del potenziale d'azione, il potenziale di membrana supera la soglia più positiva del potenziale del canale lento; la loro porta di attivazione (d) si apre e gli ioni Ca 2+ e Na + entrano nella cellula, provocando lo sviluppo della fase di plateau del potenziale d'azione. La porta f, che inattiva i canali Ca 2+ /Na +, si chiude molto più lentamente della porta h, che disattiva i canali Na. Il frammento centrale mostra il comportamento del canale quando il potenziale di riposo diminuisce a meno di -60 mV. La maggior parte dei cancelli di inattivazione dei canali del Na rimangono chiusi finché la membrana è depolarizzata; Il flusso in entrata di Na+ che si verifica quando la cellula viene stimolata è troppo piccolo per provocare lo sviluppo di un potenziale d'azione. Tuttavia, la porta di inattivazione (f) dei canali lenti non si chiude e, come mostrato nel frammento a destra, se la cellula è sufficientemente eccitata da aprire i canali lenti e consentire il passaggio dei flussi ionici lenti in arrivo, si verifica un lento sviluppo di in risposta è possibile un potenziale d’azione.

Riso. 3.4. Potenziale soglia per l'eccitazione delle cellule cardiache.

A sinistra c'è un potenziale d'azione che si verifica al livello del potenziale di riposo di -90 mV; ciò avviene quando la cellula viene eccitata da un impulso in arrivo o da qualche stimolo sottosoglia che abbassa rapidamente il potenziale di membrana a valori inferiori al livello soglia di -65 mV. A destra ci sono gli effetti di due stimoli sottosoglia e soglia. Gli stimoli sottosoglia (aeb) non riducono il potenziale di membrana al livello di soglia; pertanto, non si verifica alcun potenziale d'azione. Lo stimolo soglia (c) riduce il potenziale di membrana esattamente al livello soglia, al quale poi si forma un potenziale d'azione.

La rapida depolarizzazione all'inizio di un potenziale d'azione è causata da un potente afflusso di ioni sodio che entrano nella cellula (corrispondente al loro gradiente di potenziale elettrochimico) attraverso i canali del sodio aperti. Tuttavia, prima di tutto, i canali del sodio devono essere aperti in modo efficace, il che richiede una rapida depolarizzazione di un'area sufficientemente ampia della membrana al livello richiesto, chiamato potenziale di soglia (Fig. 3.4). Sperimentalmente, ciò può essere ottenuto facendo passare la corrente attraverso la membrana da una fonte esterna e utilizzando un elettrodo di stimolazione extracellulare o intracellulare. In condizioni naturali, lo stesso scopo è raggiunto dalle correnti locali che fluiscono attraverso la membrana immediatamente prima del potenziale d'azione di propagazione. Al potenziale di soglia è aperto un numero sufficiente di canali del sodio, il che fornisce l'ampiezza necessaria della corrente di sodio in entrata e, di conseguenza, un'ulteriore depolarizzazione della membrana; a sua volta, la depolarizzazione provoca l'apertura di più canali, con conseguente aumento del flusso di ioni in entrata, in modo che il processo di depolarizzazione diventi rigenerativo. La velocità della depolarizzazione rigenerativa (o aumento del potenziale d'azione) dipende dall'intensità della corrente di sodio in ingresso, che a sua volta è determinata da fattori quali l'entità del gradiente di potenziale elettrochimico Na + e il numero di correnti di sodio disponibili (o non inattivate) canali del sodio. Nelle fibre del Purkinje, la velocità massima di depolarizzazione durante lo sviluppo di un potenziale d'azione, indicata come dV / dt max o V max, raggiunge circa 500 V / s, e se questa velocità fosse mantenuta per tutta la fase di depolarizzazione da -90 mV a + 30 mV, la variazione del potenziale di 120 mV richiederebbe circa 0,25 ms. La velocità massima di depolarizzazione delle fibre del miocardio ventricolare di lavoro è di circa 200 V/s, e quella delle fibre muscolari atriali è compresa tra 100 e 200 V/s. (La fase di depolarizzazione del potenziale d'azione nelle cellule dei nodi senoatriale e atrioventricolare differisce significativamente da quella appena descritta e sarà discussa separatamente; vedi sotto.)

I potenziali d'azione con un tasso di aumento così elevato (spesso chiamati risposte rapide) viaggiano rapidamente attraverso il cuore. La velocità di propagazione del potenziale d'azione (così come Vmax) in cellule con le stesse caratteristiche di permeabilità della membrana e resistenza assiale è determinata principalmente dall'ampiezza della corrente entrante che scorre durante la fase di salita del potenziale d'azione. Ciò è dovuto al fatto che le correnti locali che passano attraverso le cellule immediatamente prima del potenziale d'azione hanno una grandezza maggiore con un aumento del potenziale più rapido, quindi il potenziale di membrana in queste cellule raggiunge il livello di soglia prima che nel caso di correnti di minore entità. magnitudo (vedi Fig. 3.4) . Naturalmente queste correnti locali attraversano la membrana cellulare subito dopo il passaggio del potenziale d'azione di propagazione, ma non sono più in grado di eccitare la membrana a causa della sua refrattarietà.

Riso. 3.5. Potenziali d'azione normali e risposte evocate da stimoli a diversi stadi di ripolarizzazione.

L'ampiezza e l'aumento della velocità delle risposte evocate durante la ripolarizzazione dipendono dal livello del potenziale di membrana al quale si verificano. Le prime risposte (aeb) si verificano a un livello così basso da essere troppo deboli e incapaci di diffondersi (risposte graduali o locali). La risposta B rappresenta il primo dei potenziali d'azione di propagazione, ma la sua propagazione è lenta a causa del leggero aumento della velocità e della bassa ampiezza. La risposta d appare appena prima della completa ripolarizzazione, la sua velocità di amplificazione e ampiezza sono maggiori rispetto alla risposta c, poiché avviene a un potenziale di membrana più elevato; tuttavia, il suo tasso di diffusione diventa più lento del normale. La risposta d si osserva dopo la completa ripolarizzazione, pertanto la sua ampiezza e velocità di depolarizzazione sono normali; quindi, si diffonde rapidamente. PP - potenziale di riposo.

Il lungo periodo refrattario dopo l'eccitazione delle cellule cardiache è dovuto alla lunga durata del potenziale d'azione e alla dipendenza dal voltaggio del meccanismo di gating del canale del sodio. La fase di aumento del potenziale d'azione è seguita da un periodo da centinaia a diverse centinaia di millisecondi durante il quale non vi è alcuna risposta rigenerativa a uno stimolo ripetuto (figura 3.5). Questo è il cosiddetto periodo refrattario assoluto, o effettivo; di solito si estende sul plateau (fase 2) del potenziale d'azione. Come descritto sopra, i canali del sodio vengono inattivati e rimangono chiusi durante questa depolarizzazione prolungata. Durante la ripolarizzazione del potenziale d'azione (fase 3), l'inattivazione viene gradualmente eliminata, per cui la percentuale di canali capaci di riattivarsi aumenta costantemente. Pertanto, solo un piccolo afflusso di ioni sodio può essere suscitato dallo stimolo all’inizio della ripolarizzazione, ma tali afflussi aumenteranno man mano che il potenziale d’azione continua a ripolarizzarsi. Se alcuni canali del sodio rimangono ineccitabili, il flusso di Na+ evocato verso l'interno può portare alla depolarizzazione rigenerativa e quindi ad un potenziale d'azione. Tuttavia, la velocità di depolarizzazione, e quindi la velocità di propagazione dei potenziali d'azione, è significativamente ridotta (vedi Fig. 3.5) e si normalizza solo dopo la completa ripolarizzazione. Il tempo durante il quale uno stimolo ripetuto è in grado di evocare potenziali d'azione così graduali è chiamato periodo refrattario relativo. La dipendenza dal voltaggio dell'eliminazione dell'inattivazione è stata studiata da Weidmann, il quale ha scoperto che la velocità di aumento del potenziale d'azione e il possibile livello al quale questo potenziale viene evocato sono in una relazione a forma di S, nota anche come curva di reattività di membrana.

La bassa velocità di crescita dei potenziali d'azione evocati durante il relativo periodo refrattario provoca la loro lenta propagazione; Tali potenziali d'azione possono causare numerosi disturbi di conduzione, come ritardo, attenuazione e blocco, e possono anche causare circolazione di eccitazione. Questi fenomeni verranno discussi più avanti in questo capitolo.

Nelle cellule cardiache normali, la corrente entrante del sodio responsabile del rapido aumento del potenziale d'azione è seguita da una seconda corrente entrante, più piccola e lenta della corrente del sodio, che sembra essere trasportata principalmente da ioni calcio. Questa corrente viene solitamente definita corrente lenta verso l'interno (anche se è tale solo in confronto alla corrente veloce del sodio; altri cambiamenti importanti, come quelli osservati durante la ripolarizzazione, sono probabilmente più lenti); scorre attraverso canali che, per le loro caratteristiche di conduttività dipendenti dal tempo e dalla tensione, sono stati chiamati canali lenti (vedi Fig. 3.3). La soglia di attivazione di questa conduttanza (cioè quando il cancello di attivazione d inizia ad aprirsi) è compresa tra -30 e -40 mV (confrontare: da -60 a -70 mV per la conduttanza del sodio). La depolarizzazione rigenerativa causata dalla corrente veloce del sodio di solito attiva la conduzione della corrente lenta in ingresso, così che durante il successivo aumento del potenziale d'azione, la corrente scorre attraverso entrambi i tipi di canali. Tuttavia, la corrente di Ca 2+ è molto più piccola della corrente massima veloce di Na +, quindi il suo contributo al potenziale d'azione è molto piccolo finché la corrente veloce di Na + non diventa sufficientemente inattiva (cioè dopo il rapido aumento iniziale del potenziale). Poiché la corrente lenta in ingresso può essere disattivata solo molto lentamente, essa contribuisce principalmente alla fase di plateau del potenziale d'azione. Pertanto, il livello di plateau si sposta verso la depolarizzazione quando il gradiente di potenziale elettrochimico del Ca 2+ aumenta all'aumentare della concentrazione pari a 0; una diminuzione di 0 fa sì che il livello di plateau si sposti nella direzione opposta. Tuttavia, in alcuni casi può esserci un contributo della corrente di calcio alla fase di salita del potenziale d'azione. Ad esempio, la curva di aumento del potenziale d'azione nelle fibre miocardiche ventricolari della rana talvolta mostra una curva intorno a 0 mV, nel punto in cui la rapida depolarizzazione iniziale lascia il posto a una depolarizzazione più lenta che continua fino al picco del superamento del potenziale d'azione. È stato dimostrato che il tasso di depolarizzazione più lenta e l'entità dell'overshoot aumentano con l'aumentare di 0 .

Oltre alla diversa dipendenza dal potenziale di membrana e dal tempo, questi due tipi di conduttività differiscono anche per le loro caratteristiche farmacologiche. Pertanto, la corrente attraverso i canali veloci del Na+ viene ridotta dalla tetrodotossina (TTX), mentre la corrente lenta del Ca 2+ non è influenzata dal TTX, ma è potenziata dalle catecolamine e inibita dagli ioni manganese, così come da alcuni farmaci come verapamil e D-600. Sembra molto probabile (almeno nel cuore di rana) che la maggior parte del calcio necessario per attivare le proteine che contribuiscono a ciascun battito cardiaco entri nella cellula durante il potenziale d'azione attraverso il canale lento della corrente interna. Nei mammiferi, un'ulteriore fonte disponibile di Ca 2+ per le cellule cardiache sono le sue riserve nel reticolo sarcoplasmatico.

I cambiamenti MF si verificano non solo direttamente nei punti di applicazione del catodo e dell'anodo alla fibra nervosa, ma anche a una certa distanza da essi, ma l'entità di questi spostamenti diminuisce con la distanza dagli elettrodi. I cambiamenti nella MF sotto gli elettrodi sono chiamati elettrotonici (kat-elettrotone e an-elettrotone, rispettivamente), e dietro gli elettrodi - perielettrotonici (kat- e an-perieelettrotone).

Un aumento di MP sotto l'anodo (iperpolarizzazione passiva) non è accompagnato da un cambiamento nella permeabilità ionica della membrana, anche con un'elevata corrente applicata. Pertanto, quando una corrente continua è chiusa, l'eccitazione non avviene sotto l'anodo. Al contrario, una diminuzione della MF sotto il catodo (depolarizzazione passiva) comporta un aumento a breve termine della permeabilità al Na, che porta all'eccitazione.

L'aumento della permeabilità della membrana al Na in seguito alla stimolazione della soglia non raggiunge immediatamente il suo valore massimo. Nel primo momento, la depolarizzazione della membrana sotto il catodo porta ad un leggero aumento della permeabilità al sodio e all'apertura di un piccolo numero di canali. Quando, sotto l'influenza di ciò, gli ioni Na+ caricati positivamente iniziano ad entrare nel protoplasma, la depolarizzazione della membrana aumenta. Ciò porta all'apertura di altri canali per il Na e, di conseguenza, a un'ulteriore depolarizzazione, che a sua volta provoca un aumento ancora maggiore della permeabilità al sodio. Questo processo circolare, basato sul cosiddetto. feedback positivo, chiamato depolarizzazione rigenerativa. Si verifica solo quando Eo diminuisce ad un livello critico (Ek). La ragione dell’aumento della permeabilità al sodio durante la depolarizzazione è probabilmente dovuta alla rimozione di Ca++ dal gate del sodio quando si verifica l’elettronegatività (o l’elettropositività diminuisce) sul lato esterno della membrana.

L'aumento della permeabilità al sodio si interrompe dopo decimi di millisecondo a causa dei meccanismi di inattivazione del sodio.

La velocità con cui avviene la depolarizzazione della membrana dipende dalla forza della corrente irritante. A intensità debole, la depolarizzazione si sviluppa lentamente e quindi, affinché si verifichi un AP, tale stimolo deve avere una lunga durata.

La risposta locale che si verifica con stimoli sottosoglia, come AP, è causata da un aumento della permeabilità al sodio della membrana. Tuttavia, sotto uno stimolo soglia, questo aumento non è abbastanza grande da provocare un processo di depolarizzazione rigenerativa della membrana. Pertanto, l'inizio della depolarizzazione viene interrotto dall'inattivazione e dall'aumento della permeabilità al potassio.

Per riassumere quanto sopra, possiamo descrivere la catena di eventi che si sviluppano in una fibra nervosa o muscolare sotto il catodo della corrente irritante come segue: depolarizzazione passiva della membrana ---- aumento della permeabilità al sodio --- aumento del flusso di Na nel fibra --- depolarizzazione attiva della membrana -- risposta locale --- eccesso Ec --- depolarizzazione rigenerativa --- potenziale d'azione (AP).

Qual è il meccanismo con cui si verifica l'eccitazione sotto l'anodo durante l'apertura? Nel momento in cui la corrente viene accesa sotto l'anodo, il potenziale della membrana aumenta: si verifica l'iperpolarizzazione. Allo stesso tempo, la differenza tra Eo ed Ek cresce e per spostare l'MP a un livello critico è necessaria una forza maggiore. Quando la corrente viene interrotta (apertura), viene ripristinato il livello originale di Eo. Sembrerebbe che in questo momento non ci siano le condizioni per il verificarsi dell'eccitazione. Ma questo è vero solo se la corrente ha avuto una durata molto breve (meno di 100 ms). Con un'esposizione prolungata alla corrente, il livello critico di depolarizzazione stessa inizia a cambiare: cresce. E infine arriva il momento in cui il nuovo Ek diventa uguale al vecchio livello Eo. Ora, quando la corrente viene interrotta, sorgono le condizioni per l'eccitazione, poiché il potenziale di membrana diventa uguale al nuovo livello critico di depolarizzazione. Il valore PD in apertura è sempre maggiore che in chiusura.

Dipendenza dell'intensità della soglia di uno stimolo dalla sua durata. Come già indicato, la forza di soglia di qualsiasi stimolo, entro certi limiti, è inversamente proporzionale alla sua durata. Questa dipendenza si manifesta in una forma particolarmente chiara quando si utilizzano come stimolo shock rettangolari di corrente continua. La curva ottenuta in tali esperimenti fu chiamata “curva forza-tempo”. Fu studiato da Goorweg, Weiss e Lapik all'inizio del secolo. Dall'esame di questa curva risulta innanzitutto che una corrente al di sotto di un certo valore o tensione minima non provoca eccitazione, per quanto tempo duri. La forza di corrente minima in grado di provocare eccitazione è chiamata reobase da Lapik. Il tempo più breve durante il quale uno stimolo irritante deve agire si chiama tempo utile. L'aumento della corrente porta ad una riduzione del tempo minimo di stimolazione, ma non indefinitamente. Con stimoli molto brevi, la curva forza-tempo diventa parallela all'asse delle coordinate. Ciò significa che con irritazioni così a breve termine, l'eccitazione non si verifica, non importa quanto sia grande la forza dell'irritazione.

Determinare il tempo utile è praticamente difficile, poiché il punto del tempo utile si trova su un tratto della curva che diventa parallelo. Pertanto, Lapik ha proposto di utilizzare il tempo utile di due reobasi: la cronassia. Il suo punto si trova nella parte più ripida della curva Goorweg-Weiss. La cronassimetria si è diffusa sia sperimentalmente che clinicamente per diagnosticare danni alle fibre nervose motorie.

È già stato indicato sopra che la depolarizzazione della membrana porta all'inizio di due processi: uno rapido, che porta ad un aumento della permeabilità al sodio e alla comparsa di AP, e l'altro lento, che porta all'inattivazione della permeabilità al sodio e alla fine dell'eccitazione . Con un forte aumento dello stimolo, l’attivazione del Na ha il tempo di raggiungere un valore significativo prima che si sviluppi l’inattivazione del Na. Nel caso di un lento aumento dell'intensità di corrente entrano in primo piano i processi di inattivazione che portano ad un aumento della soglia e ad una diminuzione dell'ampiezza AP. Tutti gli agenti che potenziano o accelerano l’inattivazione aumentano il tasso di accomodamento.

L'accomodamento si sviluppa non solo quando i tessuti eccitabili sono irritati dalla corrente elettrica, ma anche quando vengono utilizzati stimoli meccanici, termici e di altro tipo. Pertanto, un colpo rapido al nervo con un bastone provoca la sua eccitazione, ma quando si preme lentamente sul nervo con lo stesso bastone, non si verifica alcuna eccitazione. Una fibra nervosa isolata può essere eccitata mediante raffreddamento rapido, ma non mediante raffreddamento lento. Una rana salterà fuori se gettata in acqua con una temperatura di 40 gradi, ma se la stessa rana viene messa in acqua fredda e riscaldata lentamente, l'animale cucinerà, ma non reagirà saltando all'aumento della temperatura.

In laboratorio, un indicatore della velocità di accomodamento è la più piccola pendenza dell'aumento attuale alla quale lo stimolo conserva ancora la capacità di causare AP. Questa pendenza minima è chiamata pendenza critica. È espresso in unità assolute (mA/sec) o relative (come rapporto tra l'intensità di soglia di quella corrente gradualmente crescente, che è ancora in grado di provocare eccitazione, e la reobase di un impulso di corrente rettangolare).

Figura 4. Curva forza-tempo di Goorweg-Weiss. Designazioni: X - cronassia, PV - tempo utile, P - reobasi, 2р - forza di due reobasi

La legge “tutto o niente”. Quando si studia la dipendenza degli effetti della stimolazione dalla forza dello stimolo applicato, il cosiddetto legge “tutto o niente”.

Secondo questa legge, gli stimoli sotto soglia non provocano eccitazione ("niente"), ma sotto gli stimoli soglia l'eccitazione acquisisce immediatamente un valore massimo ("tutto"), e non aumenta più con l'ulteriore intensificazione dello stimolo.

Questo schema fu inizialmente scoperto da Bowditch mentre studiava il cuore, e fu successivamente confermato in altri tessuti eccitabili. Per molto tempo la legge "tutto o niente" è stata erroneamente interpretata come un principio generale della risposta dei tessuti eccitabili. Si presumeva che “niente” significasse una completa assenza di risposta a uno stimolo sottosoglia, e “tutto” veniva considerato come una manifestazione del completo esaurimento delle potenziali capacità del substrato eccitabile. Ulteriori studi, in particolare studi sui microelettrodi, hanno dimostrato che questo punto di vista non è vero. Si è scoperto che a forze sottosoglia si verifica un'eccitazione locale non propagante (risposta locale). Allo stesso tempo, si è scoperto che anche “tutto” non caratterizza il massimo che il PD può ottenere. In una cellula vivente esistono processi che bloccano attivamente la depolarizzazione della membrana. Se la corrente Na in ingresso, che garantisce la generazione di AP, è indebolita da qualsiasi influenza sulla fibra nervosa, ad esempio farmaci, veleni, allora cessa di obbedire alla regola "tutto o niente" - la sua ampiezza inizia a dipendere gradualmente da la forza dello stimolo. Pertanto, "tutto o niente" è ora considerato non come una legge universale della risposta di un substrato eccitabile a uno stimolo, ma solo come regola, che caratterizza le caratteristiche del verificarsi di AP in determinate condizioni specifiche.

Il concetto di eccitabilità. Cambiamenti nell'eccitabilità quando eccitato. Parametri di eccitabilità.

L'eccitabilità è la capacità di una cellula nervosa o muscolare di rispondere alla stimolazione generando PD. La principale misura dell'eccitabilità è solitamente la reobase. Più è basso, maggiore è l'eccitabilità e viceversa. Ciò è dovuto al fatto che, come abbiamo detto prima, la condizione principale per il verificarsi dell'eccitazione è il raggiungimento di un livello critico di depolarizzazione da parte della MF (Eo<= Ек). Поэтому мерилом возбудимости является разница между этими величинами (Ео - Ек). Чем меньше эта разница, тем меньшую силу надо приложить к клетке, чтобы сдвинуть мембранный потенциал до критического уровня, и, следовательно, тем больше возбудимость клетки.

Pflueger dimostrò anche che l'eccitabilità è una quantità variabile. Il catodo aumenta l'eccitabilità, l'anodo la diminuisce. Ricordiamo che questi cambiamenti di eccitabilità sotto gli elettrodi sono chiamati elettrotonici. Lo scienziato russo Verigo ha dimostrato che con l'esposizione prolungata alla corrente continua sul tessuto, o sotto l'influenza di forti stimoli, questi cambiamenti elettrotonici nell'eccitabilità vengono pervertiti: sotto il catodo, l'aumento iniziale dell'eccitabilità è sostituito dalla sua diminuzione (il così- si sviluppa la cosiddetta depressione catodica) e sotto l'anodo aumenta gradualmente l'eccitabilità ridotta. La ragione di queste variazioni di eccitabilità ai poli della corrente continua è dovuta al fatto che il valore di Ek cambia con l'esposizione prolungata allo stimolo. Sotto il catodo (e durante l'eccitazione), Ek si allontana gradualmente da MP e diminuisce, tanto che arriva un momento in cui la differenza E0-Ek diventa maggiore di quella iniziale. Ciò porta ad una diminuzione dell'eccitabilità dei tessuti. Sotto l'anodo, invece, Ek tende ad aumentare, avvicinandosi gradualmente a Eo. In questo caso l'eccitabilità aumenta al diminuire della differenza iniziale tra Eo ed Ek.

La ragione del cambiamento nel livello critico di depolarizzazione sotto il catodo è l'inattivazione della permeabilità al sodio dovuta alla prolungata depolarizzazione della membrana. Allo stesso tempo, la permeabilità al K aumenta in modo significativo. Tutto ciò porta al fatto che la membrana cellulare perde la capacità di rispondere agli stimoli irritanti. Gli stessi cambiamenti nella membrana sono alla base del già discusso fenomeno dell'accomodamento. Sotto l'anodo, sotto l'azione della corrente, i fenomeni di inattivazione si riducono.

Cambiamenti nell'eccitabilità quando eccitato. La comparsa di AP in una fibra nervosa o muscolare è accompagnata da cambiamenti multifase nell'eccitabilità. Per studiarli, un nervo o un muscolo viene esposto a due brevi stimoli elettrici che si susseguono ad un certo intervallo. Il primo si chiama fastidioso, il secondo test. La registrazione dei PD sorti in risposta a queste irritazioni ha permesso di stabilire fatti importanti.

Figura 5. Cambiamenti nell'eccitabilità durante l'eccitazione.

Designazioni: 1- aumento dell'eccitabilità durante una risposta locale; 2 – refrattarietà assoluta; 3- refrattarietà relativa; 4- eccitabilità sopranormale durante la depolarizzazione in tracce; 5 – eccitabilità subnormale durante l'iperpolarizzazione delle tracce.

Durante una risposta locale, l'eccitabilità aumenta, poiché la membrana viene depolarizzata e la differenza tra E0 ed Ek diminuisce. Il periodo di comparsa e sviluppo del picco del potenziale d'azione corrisponde alla completa scomparsa dell'eccitabilità, chiamata refrattarietà assoluta (imprimibilità). In questo momento, lo stimolo del test non è in grado di causare un nuovo PD, non importa quanto forte sia questa irritazione. La durata della refrattarietà assoluta coincide approssimativamente con la durata del ramo ascendente dell'AP. Nelle fibre nervose a conduzione rapida è 0,4-0,7 ms. Nelle fibre del muscolo cardiaco - 250-300 ms. Dopo la refrattarietà assoluta inizia la fase di refrattarietà relativa, che dura 4-8 ms. Coincide con la fase di ripolarizzazione AP. In questo momento, l'eccitabilità ritorna gradualmente al suo livello originale. Durante questo periodo, la fibra nervosa è in grado di rispondere a una forte stimolazione, ma l'ampiezza del potenziale d'azione sarà drasticamente ridotta.

Secondo la teoria ionica di Hodgkin-Huxley, la refrattarietà assoluta è causata prima dalla presenza della massima permeabilità al sodio, quando un nuovo stimolo non può modificare o aggiungere nulla, e poi dallo sviluppo dell'inattivazione del sodio, che chiude i canali del Na. Segue una diminuzione dell'inattivazione del sodio, a seguito della quale viene gradualmente ripristinata la capacità della fibra di generare AP. Questo è uno stato di relativa refrattarietà.

La fase refrattaria relativa è sostituita da una fase di eccitabilità aumentata (supernormale). E, coincidente nel tempo con il periodo di depolarizzazione delle tracce. In questo momento, la differenza tra Eo ed Ek è inferiore a quella originale. Nelle fibre nervose motorie degli animali a sangue caldo, la durata della fase paranormale è di 12-30 ms.

Il periodo di maggiore eccitabilità è sostituito da una fase subnormale, che coincide con l'iperpolarizzazione delle tracce. In questo momento aumenta la differenza tra il potenziale di membrana (Eo) e il livello critico di depolarizzazione (Ek). La durata di questa fase è di diverse decine o centinaia di ms.

Labilità. Abbiamo esaminato i meccanismi di base della comparsa e della propagazione di una singola onda di eccitazione nelle fibre nervose e muscolari. Tuttavia, nelle condizioni naturali di esistenza di un organismo, attraverso le fibre nervose non passano raffiche singole, ma ritmiche di potenziali d'azione. Nelle terminazioni nervose sensibili situate in qualsiasi tessuto, si verificano scariche ritmiche di impulsi che si diffondono lungo le fibre nervose afferenti che si estendono da esse, anche con stimolazione a brevissimo termine. Allo stesso modo, dal sistema nervoso centrale lungo i nervi efferenti c'è un flusso di impulsi verso la periferia verso gli organi esecutivi. Se l'organo esecutivo sono i muscoli scheletrici, in essi si verificano lampi di eccitazione nel ritmo degli impulsi che arrivano lungo il nervo.

La frequenza delle scariche di impulsi nei tessuti eccitabili può variare ampiamente a seconda della forza della stimolazione applicata, delle proprietà e delle condizioni del tessuto e della velocità dei singoli atti di eccitazione in una serie ritmica. Per caratterizzare questa velocità è stato formulato il concetto di labilità. Per labilità, o mobilità funzionale, intendeva una maggiore o minore velocità di insorgenza di quelle reazioni elementari che accompagnano l'eccitazione. Una misura di labilità è il maggior numero di potenziali d'azione che un substrato eccitabile è in grado di riprodurre per unità di tempo in base alla frequenza della stimolazione applicata.

Inizialmente si presumeva che l'intervallo minimo tra gli impulsi in una serie ritmica dovesse corrispondere alla durata del periodo refrattario assoluto. Studi accurati, tuttavia, hanno dimostrato che con una frequenza di ripetizione di stimoli con un tale intervallo, si verificano solo due impulsi e il terzo si interrompe a causa dello sviluppo della depressione. Pertanto, l'intervallo tra gli impulsi dovrebbe essere leggermente maggiore del periodo refrattario assoluto. Nelle cellule nervose motorie degli animali a sangue caldo, il periodo refrattario è di circa 0,4 msec, e il ritmo massimo potenziale dovrebbe essere pari a 2500/sec, ma in realtà è di circa 1000/sec. Va sottolineato che questa frequenza supera significativamente la frequenza degli impulsi che passano attraverso queste fibre in condizioni fisiologiche. Quest'ultimo è di circa 100/sec.

Il fatto è che solitamente in condizioni naturali il tessuto funziona secondo il cosiddetto ritmo ottimale. Per trasmettere gli impulsi con questo ritmo non è necessaria una grande forza di stimolazione. Gli studi hanno dimostrato che la frequenza di stimolazione e la reobase della corrente capace di provocare impulsi nervosi con tale frequenza si trovano in una relazione particolare: la reobase prima diminuisce all'aumentare della frequenza degli impulsi, poi aumenta nuovamente. L'ottimale è per i nervi nell'intervallo da 75 a 150 impulsi/sec, per i muscoli - 20-50 impulsi/sec. Questo ritmo, a differenza di altri, può essere riprodotto in modo molto persistente e per lungo tempo da formazioni eccitabili.

Pertanto, possiamo ora nominare tutti i principali parametri dell'eccitabilità del tessuto che ne caratterizzano le proprietà: reobase, tempo utile (cronassia), pendenza critica, labilità. Tutti, tranne l'ultimo, sono in rapporti inversamente proporzionali con l'eccitabilità.

Il concetto di "parabiosi". La labilità è un valore variabile. Può cambiare a seconda dello stato del nervo o del muscolo, a seconda della forza e della durata delle irritazioni che colpiscono, del grado di affaticamento, ecc. Per la prima volta ho studiato il cambiamento della labilità di un nervo quando è esposto prima a stimoli chimici e poi elettrici. Scoprì una diminuzione naturale della labilità di una sezione nervosa alterata da un agente chimico (ammoniaca), chiamò questo fenomeno “parabiosi” e ne studiò le caratteristiche. La parabiosi è una condizione reversibile, che però, con l'approfondimento dell'azione dell'agente che la provoca, può diventare irreversibile.

Vvedensky considerava la parabiosi come uno stato speciale di eccitazione persistente e non fluttuante, come se fosse congelato in una sezione della fibra nervosa. Infatti, il sito parabiotico è carico negativamente. Vvedensky considerava questo fenomeno un prototipo della transizione dall'eccitazione all'inibizione nei centri nervosi. Secondo lui la parabiosi è il risultato della sovraeccitazione di una cellula nervosa dovuta a una stimolazione eccessiva o troppo frequente.

Lo sviluppo della parabiosi avviene in tre fasi: equalizzante, paradossale e inibitoria. Inizialmente, a causa della diminuzione dell'accomodazione, i singoli impulsi di corrente a bassa frequenza, purché di intensità sufficiente, non producono più 1 impulso, ma 2,3 o addirittura 4. Allo stesso tempo, la soglia di eccitabilità aumenta e la il ritmo massimo di eccitazione diminuisce progressivamente. Di conseguenza, il nervo inizia a rispondere agli impulsi sia di bassa che di alta frequenza con la stessa frequenza di scariche, che è più vicina al ritmo ottimale per questo nervo. Questa è la fase equalizzante della parabiosi. Nella fase successiva di sviluppo del processo, nella regione delle intensità di soglia della stimolazione, la riproduzione di un ritmo vicino a quello ottimale è ancora preservata e il tessuto non risponde affatto agli impulsi frequenti o risponde con onde molto rare di eccitazione. Questa è una fase paradossale.

Quindi diminuisce la capacità della fibra per l'attività delle onde ritmiche, diminuisce anche l'ampiezza dell'AP e la sua durata aumenta. Qualsiasi influenza esterna rafforza lo stato di inibizione della fibra nervosa e allo stesso tempo si inibisce. Questa è l'ultima fase inibitoria della parabiosi.

Attualmente, il fenomeno descritto è spiegato dal punto di vista della teoria della membrana con una violazione del meccanismo di aumento della permeabilità al sodio e la comparsa di una prolungata inattivazione del sodio. Di conseguenza, i canali del Na rimangono chiusi, si accumula nella cellula e la superficie esterna della membrana mantiene a lungo una carica negativa. Ciò impedisce nuove irritazioni allungando il periodo refrattario. Quando ci si avvicina ad un sito di parabiosi con AP spesso successivi, all'inattivazione che accompagna l'impulso nervoso si aggiunge l'inattivazione della permeabilità al sodio causata dall'agente alterante. Di conseguenza, l'eccitabilità si riduce così tanto che la conduzione dell'impulso successivo viene completamente bloccata.

Metabolismo ed energia durante l'eccitazione. Quando l'eccitazione si verifica e si verifica nelle cellule nervose e nelle fibre muscolari, il metabolismo aumenta. Ciò si manifesta sia in una serie di cambiamenti biochimici che si verificano nella membrana e nel protoplasma delle cellule, sia in un aumento della loro produzione di calore. È stato stabilito che quando eccitato si verifica quanto segue: aumento della degradazione nelle cellule dei composti ricchi di energia - ATP e creatina fosfato (CP), aumento dei processi di degradazione e sintesi di carboidrati, proteine e lipidi, aumento dei processi ossidativi, che portano in combinazione con glicolisi alla risintesi di ATP e CP, sintesi e distruzione di acetilcolina e norepinefrina, altri mediatori, aumento della sintesi di RNA e proteine. Tutti questi processi sono più pronunciati durante il periodo di ripristino dello stato della membrana dopo la PD.

Nei nervi e nei muscoli, ogni ondata di eccitazione è accompagnata dal rilascio di due porzioni di calore, di cui la prima è chiamata calore iniziale e la seconda calore ritardato. La generazione iniziale di calore avviene al momento dell'eccitazione e costituisce una parte insignificante della produzione totale di calore (2-10%) durante l'eccitazione. Si presume che questo calore sia associato a quei processi fisico-chimici che si sviluppano al momento della generazione del PD. La generazione ritardata di calore avviene per un periodo di tempo più lungo, durando molti minuti. È associato a quei processi chimici che si verificano nel tessuto in seguito a un’onda di eccitazione e, nell’espressione figurata di Ukhtomsky, costituiscono la “coda metabolica della cometa di eccitazione”.

Effettuare la stimolazione. Classificazione delle fibre nervose.

Non appena si verifica un AP in qualsiasi punto di una fibra nervosa o muscolare e quest'area acquisisce una carica negativa, si forma una corrente elettrica tra la parte eccitata e quella vicina a riposo della fibra. In questo caso la sezione eccitata della membrana agisce sulle sezioni vicine come un catodo in corrente continua, provocandone la depolarizzazione e generando una risposta locale. Se l’entità della risposta locale supera l’Ec della membrana, si verifica la PD. Di conseguenza, la superficie esterna della membrana nella nuova area si carica negativamente. In questo modo l'onda di eccitazione si propaga lungo tutta la fibra con una velocità di circa 0,5-3 m/sec.

Leggi di conduzione dell'eccitazione lungo i nervi.

1. La legge della continuità fisiologica. Il taglio, la legatura e qualsiasi altro impatto che interrompa l'integrità della membrana (fisiologica e non solo anatomica) creano non conduttività. La stessa cosa accade con gli influssi termici e chimici.

2. Legge di conduzione bilaterale. Quando l'irritazione viene applicata a una fibra nervosa, l'eccitazione si diffonde lungo di essa in entrambe le direzioni (lungo la superficie della membrana - in tutte le direzioni) alla stessa velocità. Ciò è dimostrato dall'esperienza di Babukhin e di altri come lui.

3. Legge della conduzione isolata. In un nervo, gli impulsi si propagano isolatamente lungo ciascuna fibra, cioè non passano da una fibra all'altra. Questo è molto importante poiché garantisce un indirizzamento preciso dell'impulso. Ciò è dovuto al fatto che la resistenza elettrica delle guaine mielinica e di Schwann, nonché del fluido intercellulare, è molto maggiore della resistenza della membrana delle fibre nervose.

I meccanismi e la velocità di eccitazione nelle fibre nervose non pulpali e pulpali sono diversi. Nell'eccitazione senza polpa si estende continuamente lungo tutta la membrana da una zona eccitata ad un'altra situata nelle vicinanze, come abbiamo già discusso.

Nelle fibre mieliniche l'eccitazione si diffonde solo spasmodicamente, saltando sulle aree ricoperte dalla guaina mielinica (salatoria). I potenziali d'azione in queste fibre nascono solo nei nodi di Ranvier. A riposo, la superficie esterna della membrana eccitabile di tutti i nodi di Ranvier è carica positivamente. Al momento dell'eccitazione la superficie della prima intercettazione si carica negativamente rispetto alla seconda intercettazione adiacente. Ciò porta all'emergere di una corrente elettrica locale (locale) che scorre attraverso il fluido intercellulare, la membrana e l'assoplasma che circonda la fibra dall'intercettazione 2 a 1. La corrente che emerge attraverso l'intercettazione 2 la eccita, provocando la ricarica della membrana. Ora quest'area può eccitare quella successiva, ecc.

Il salto dell'AP sopra l'area interintercettiva è possibile perché l'ampiezza dell'AP è 5-6 volte maggiore della soglia necessaria per eccitare non solo quella successiva, ma anche 3-5 intercettazioni. Pertanto, il microdanneggiamento della fibra nelle aree intercettrici o in più di una intercettazione non interrompe il funzionamento della fibra nervosa finché i fenomeni rigenerativi non coinvolgono 3 o più cellule di Schwann adiacenti.

Il tempo necessario per il trasferimento dell'eccitazione da un'intercettazione all'altra è lo stesso per fibre di diverso diametro ed è di 0,07 ms. Tuttavia, poiché la lunghezza dei tratti interstiziali è diversa e proporzionale al diametro della fibra, nei nervi mielinizzati la velocità degli impulsi nervosi è direttamente proporzionale al loro diametro.

Classificazione delle fibre nervose. La risposta elettrica di un intero nervo è la somma algebrica della PD delle sue singole fibre nervose. Pertanto, da un lato, l'ampiezza degli impulsi elettrici dell'intero nervo dipende dalla forza dello stimolo (man mano che aumenta, vengono coinvolte sempre più fibre), e dall'altro, il potenziale d'azione totale del nervo può essere suddiviso in più oscillazioni separate, la ragione della quale è la velocità diseguale di conduzione dell'impulso lungo le diverse fibre che compongono l'intero nervo.

Attualmente, le fibre nervose sono solitamente divise in tre tipi principali in base alla velocità di eccitazione, alla durata delle varie fasi dell'attività e alla struttura.

Le fibre di tipo A sono divise in sottogruppi (alfa, beta, gamma, delta). Sono ricoperti da una guaina mielinica. La loro velocità di conduzione è la più alta: 70-120 m/sec. Queste sono le fibre motorie dei motoneuroni del midollo spinale. Le restanti fibre di tipo A sono sensibili.

Le fibre di tipo B sono mielinizzate, prevalentemente pregangliari. Velocità di conduzione - 3-18 m/sec.

Le fibre di tipo C sono prive di polpa, con un diametro molto piccolo (2 micron). La velocità di conduzione non è superiore a 3 m/sec. Queste sono molto spesso fibre postgangliari del sistema nervoso simpatico.

FISIOLOGIA GENERALE

SISTEMA NERVOSO CENTRALE

La fisiologia del sistema nervoso centrale (SNC) è il capitolo più complesso, ma allo stesso tempo più responsabile della fisiologia, poiché nei mammiferi superiori e nell'uomo il sistema nervoso svolge la funzione di collegare tra loro parti del corpo, le loro relazione e integrazione, da un lato, e le connessioni funzionali tra gli agenti ambientali e alcune manifestazioni dell’attività corporea, dall’altro. I successi della scienza moderna nel decifrare l'intera complessità del sistema nervoso si basano sul riconoscimento di un unico meccanismo del suo funzionamento: il riflesso.

I riflessi sono tutti gli atti del corpo che si verificano in risposta all'irritazione dei recettori e vengono eseguiti con la partecipazione del sistema nervoso centrale. L'idea di un riflesso fu formulata per la prima volta da Cartesio e sviluppata da Sechenov, Pavlov e Anokhin. Ogni riflesso viene effettuato grazie all'attività di alcune formazioni strutturali del sistema nervoso. Tuttavia, prima di analizzare le caratteristiche strutturali dell'arco riflesso, dobbiamo conoscere la struttura e le proprietà dell'unità funzionale del sistema nervoso: la cellula nervosa, il neurone.

Struttura e funzioni di un neurone. Già nel secolo scorso Ramon y Cajal scoprì che ogni cellula nervosa ha un corpo (soma) e processi che, secondo le caratteristiche strutturali e la funzione, sono divisi in dendriti e assoni. Un neurone ha sempre un solo assone, ma possono esserci molti dendriti. Nel 1907 Sherrington descrisse il modo in cui i neuroni interagiscono tra loro e introdusse il concetto di sinapsi. Dopo che Ramon y Cajal dimostrò che i dendriti percepiscono la stimolazione e l'assone invia impulsi, si formò l'idea che la funzione principale di un neurone è la percezione. elaborazione e invio di informazioni ad un'altra cellula nervosa o ad un organo funzionante (muscolo, ghiandola).

La struttura e le dimensioni dei neuroni variano notevolmente. Il loro diametro può variare da 4 micron (cellule granulari cerebellari) a 130 micron (cellule piramidali giganti di Betz). Anche la forma dei neuroni è varia.

Le cellule nervose hanno nuclei molto grandi che sono funzionalmente e strutturalmente collegati alla membrana cellulare. Alcuni neuroni sono multinucleati, ad esempio le cellule neurosecretorie dell'ipotalamo o durante la rigenerazione neuronale. Nel primo periodo postnatale, i neuroni possono dividersi.

Nel citoplasma del neurone, il cosiddetto La sostanza di Nissl è un granulo del reticolo endoplasmatico ricco di ribosomi. Ce n'è molto attorno al nucleo. Sotto la membrana cellulare, il reticolo endoplasmatico forma cisterne responsabili del mantenimento della concentrazione di K+ sotto la membrana. I ribosomi sono colossali fabbriche di proteine. L'intera proteina di una cellula nervosa si rinnova in 3 giorni, e ancora più velocemente quando aumenta la funzione del neurone. Il reticolo agranulare è rappresentato dall'apparato del Golgi, che sembra circondare dall'interno l'intera cellula nervosa. Contiene lisosomi contenenti vari enzimi e vescicole con granuli mediatori. L'apparato del Golgi partecipa attivamente alla formazione delle vescicole con il mediatore.

Sia nel corpo cellulare che nei processi sono presenti numerosi mitocondri, le centrali energetiche della cellula. Si tratta di organelli mobili che, grazie all'actomiosina, possono spostarsi dove è necessaria l'energia nella cellula per la sua attività.

LEGGI DELL'AZIONE DC SU

TESSUTO ECCITABILE.

Legge polare dell'azione della corrente. Quando un nervo o un muscolo è irritato dalla corrente continua, l'eccitazione si verifica al momento della chiusura della corrente continua solo sotto il catodo e al momento dell'apertura - solo sotto l'anodo, e la soglia dello shock di chiusura è inferiore alla rottura shock. Misurazioni dirette hanno dimostrato che il passaggio di corrente elettrica attraverso una fibra nervosa o muscolare provoca principalmente un cambiamento nel potenziale di membrana sotto gli elettrodi. Nell'area di applicazione sulla superficie del tessuto anodico (+), aumenta il potenziale positivo sulla superficie esterna della membrana, cioè In quest'area si verifica l'iperpolarizzazione della membrana, che non contribuisce all'eccitazione, ma, al contrario, la impedisce. Nella stessa area in cui il catodo (-) è attaccato alla membrana, il potenziale positivo della superficie esterna diminuisce, si verifica la depolarizzazione e, se raggiunge un valore critico, in questo punto si verifica un AP.

I cambiamenti MF si verificano non solo direttamente nei punti di applicazione del catodo e dell'anodo alla fibra nervosa, ma anche a una certa distanza da essi, ma l'entità di questi spostamenti diminuisce con la distanza dagli elettrodi. Vengono chiamate variazioni di MP sotto gli elettrodi elettrotonico(rispettivamente elettrotone-gatto e an-elettrotone), e dietro gli elettrodi - perielettrotonico(elettrotone cat e an-perie).

L'aumento della permeabilità della membrana al Na in seguito alla stimolazione della soglia non raggiunge immediatamente il suo valore massimo. Nel primo momento, la depolarizzazione della membrana sotto il catodo porta ad un leggero aumento della permeabilità al sodio e all'apertura di un piccolo numero di canali. Quando, sotto l'influenza di ciò, gli ioni Na+ caricati positivamente iniziano ad entrare nel protoplasma, la depolarizzazione della membrana aumenta. Ciò porta all'apertura di altri canali per il Na e, di conseguenza, a un'ulteriore depolarizzazione, che a sua volta provoca un aumento ancora maggiore della permeabilità al sodio. Questo processo circolare, basato sul cosiddetto. feedback positivo, chiamato depolarizzazione rigenerativa. Si verifica solo quando E o diminuisce fino a un livello critico (E k). La ragione dell'aumento della permeabilità al sodio durante la depolarizzazione è probabilmente associata alla rimozione di Ca++ dal gate del sodio quando si verifica l'elettronegatività (o l'elettropositività diminuisce) sul lato esterno della membrana.

L'aumento della permeabilità al sodio si interrompe dopo decimi di millisecondo a causa dei meccanismi di inattivazione del sodio.

Per riassumere quanto sopra, possiamo rappresentare la catena di eventi che si sviluppano in una fibra nervosa o muscolare sotto il catodo della corrente irritante come segue: depolarizzazione passiva della membrana ---- aumento della permeabilità al sodio --- aumento del flusso di Na nella fibra --- depolarizzazione attiva della membrana -- risposta locale --- eccesso di Ec --- depolarizzazione rigenerativa --- potenziale d'azione ( AP).

Dipendenza della forza dello stimolo soglia dalla sua durata. Come già indicato, la forza di soglia di qualsiasi stimolo, entro certi limiti, è inversamente proporzionale alla sua durata. Questa dipendenza si manifesta in una forma particolarmente chiara quando si utilizzano come stimolo shock rettangolari di corrente continua. La curva ottenuta in tali esperimenti fu chiamata “curva forza-tempo”. Fu studiato da Goorweg, Weiss e Lapik all'inizio del secolo. Dall'esame di questa curva risulta innanzitutto che una corrente al di sotto di un certo valore o tensione minima non provoca eccitazione, per quanto tempo duri. La forza di corrente minima in grado di provocare eccitazione è chiamata reobase da Lapik. Il tempo più breve durante il quale uno stimolo irritante deve agire si chiama tempo utile. L'aumento della corrente porta ad una riduzione del tempo minimo di stimolazione, ma non indefinitamente. Con stimoli molto brevi, la curva forza-tempo diventa parallela all'asse delle coordinate. Ciò significa che con irritazioni così a breve termine, l'eccitazione non si verifica, non importa quanto sia grande la forza dell'irritazione.

Dipendenza della soglia dalla pendenza dell'aumento della forza dello stimolo. Il valore soglia per l'irritazione di un nervo o di un muscolo dipende non solo dalla durata dello stimolo, ma anche dalla rapidità dell'aumento della sua forza. La soglia di irritazione ha il valore più piccolo per gli impulsi di corrente rettangolari, caratterizzati dall'aumento di corrente più rapido possibile. Se invece di tali stimoli si utilizzano stimoli crescenti in modo lineare o esponenziale, le soglie risultano aumentate e quanto più lentamente aumenta la corrente, tanto maggiore. Quando la pendenza dell'aumento di corrente diminuisce al di sotto di un certo valore minimo (la cosiddetta pendenza critica), la PD non si verifica affatto, indipendentemente dall'intensità finale dell'aumento della corrente.

Questo fenomeno di adattamento del tessuto eccitabile ad uno stimolo che aumenta lentamente è chiamato accomodamento. Quanto più alto è il tasso di accomodamento, tanto più rapidamente lo stimolo deve aumentare per non perdere il suo effetto irritante. L'adattamento a una corrente che aumenta lentamente è dovuto al fatto che durante l'azione di questa corrente nella membrana hanno il tempo di svilupparsi processi che impediscono la comparsa di AP.

In laboratorio, un indicatore della velocità di accomodamento è la più piccola pendenza dell'aumento attuale alla quale lo stimolo conserva ancora la capacità di causare AP. Questa pendenza minima si chiama pendenza critica. È espresso in unità assolute (mA/sec) o relative (come rapporto tra l'intensità di soglia di quella corrente gradualmente crescente, che è ancora in grado di provocare eccitazione, e la reobase di un impulso di corrente rettangolare).

La legge “tutto o niente”. Quando si studia la dipendenza degli effetti della stimolazione dalla forza dello stimolo applicato, il cosiddetto legge “tutto o niente”. Secondo questa legge, gli stimoli sotto soglia non provocano eccitazione ("niente"), ma sotto gli stimoli soglia l'eccitazione acquisisce immediatamente un valore massimo ("tutto"), e non aumenta più con l'ulteriore intensificazione dello stimolo.

Il concetto di eccitabilità. Cambiamenti nell'eccitabilità quando eccitato.

Polarizzazione statica– la presenza di una differenza di potenziale costante tra la superficie esterna e quella interna della membrana cellulare. A riposo, la superficie esterna della cella è sempre elettropositiva rispetto a quella interna, cioè polarizzato. Questa differenza di potenziale, pari a ~60 mV, viene chiamata potenziale di riposo o potenziale di membrana (MP). Quattro tipi di ioni partecipano alla formazione del potenziale:

cationi di sodio (carica positiva),
cationi di potassio (carica positiva),
anioni cloro (carica negativa),
anioni di composti organici (carica negativa).

In fluido extracellulare alta concentrazione di ioni sodio e cloro, in fluido intracellulare– ioni potassio e composti organici. In uno stato di relativo riposo fisiologico, la membrana cellulare è ben permeabile ai cationi potassio, leggermente meno permeabile agli anioni cloro, praticamente impermeabile ai cationi sodio e completamente impermeabile agli anioni dei composti organici.

A riposo, gli ioni potassio, senza dispendio energetico, si spostano in una zona a concentrazione minore (verso la superficie esterna della membrana cellulare), portando con sé una carica positiva. Gli ioni cloro penetrano nella cellula portando una carica negativa. Gli ioni sodio continuano a rimanere sulla superficie esterna della membrana, aumentando ulteriormente la carica positiva.

Depolarizzazione– spostamento di MP verso la sua diminuzione. Sotto l'influenza dell'irritazione, i canali del sodio "veloci" si aprono, a seguito dei quali gli ioni Na entrano nella cellula come una valanga. La transizione degli ioni caricati positivamente nella cellula provoca una diminuzione della carica positiva sulla sua superficie esterna e un aumento nel citoplasma. In conseguenza di ciò la differenza di potenziale transmembrana si riduce, il valore MP scende a 0 e poi, man mano che Na continua ad entrare nella cellula, la membrana si ricarica e la sua carica si inverte (la superficie diventa elettronegativa rispetto al citoplasma ) - si verifica un potenziale d'azione (AP). La manifestazione elettrografica della depolarizzazione è picco o potenziale di picco.

Durante la depolarizzazione, quando la carica positiva trasportata dagli ioni Na raggiunge un certo valore di soglia, nel sensore di tensione dei canali ionici appare una corrente di polarizzazione, che “sbatte” il gate e “blocca” (inattiva) il canale, impedendo così ulteriore ingresso di Na nel citoplasma. Il canale è “chiuso” (disattivato) finché non viene ripristinato il livello MP iniziale.

Ripolarizzazione– ripristino del livello iniziale di MP. In questo caso, gli ioni sodio smettono di penetrare nella cellula, aumenta la permeabilità della membrana al potassio e la lascia rapidamente. Di conseguenza, la carica della membrana cellulare si avvicina a quella originale. La manifestazione elettrografica della ripolarizzazione è potenziale traccia negativo.

Iperpolarizzazione– aumento del livello MP. Dopo il ripristino del valore iniziale di MP (ripolarizzazione), si verifica un aumento a breve termine rispetto al livello di riposo, dovuto ad un aumento della permeabilità dei canali del potassio e dei canali per il Cl. A questo proposito, la superficie della membrana acquisisce una carica positiva in eccesso rispetto alla norma e il livello MP diventa leggermente superiore a quello originale. La manifestazione elettrografica dell'iperpolarizzazione è potenziale in traccia positivo. Questo termina il singolo ciclo di eccitazione.