Co dzieje się podczas depolaryzacji. Fizjologia tkanek pobudliwych

Cała aktywność nerwowa funkcjonuje pomyślnie dzięki naprzemiennym fazom spoczynku i pobudliwości. Awarie w układzie polaryzacyjnym zakłócają przewodność elektryczną włókien. Ale oprócz włókien nerwowych istnieją inne tkanki pobudliwe - hormonalne i mięśniowe.

Rozważymy jednak cechy tkanek przewodzących i na przykładzie procesu wzbudzenia komórek organicznych porozmawiamy o znaczeniu krytycznego poziomu depolaryzacji. Fizjologia aktywności nerwowej jest ściśle powiązana z poziomem ładunku elektrycznego wewnątrz i na zewnątrz komórki nerwowej.

Jeśli jedna elektroda zostanie podłączona do zewnętrznej powłoki aksonu, a druga do jego wewnętrznej części, wówczas widoczna będzie różnica potencjałów. Na tej różnicy opiera się aktywność elektryczna szlaków nerwowych.

Co to jest potencjał spoczynkowy i potencjał czynnościowy?

Wszystkie komórki układu nerwowego są spolaryzowane, to znaczy mają różne ładunki elektryczne wewnątrz i na zewnątrz specjalnej membrany. Komórka nerwowa zawsze ma własną błonę lipoproteinową, która pełni funkcję izolatora bioelektrycznego. Dzięki membranom w komórce powstaje potencjał spoczynkowy, niezbędny do późniejszej aktywacji.

Potencjał spoczynkowy jest utrzymywany poprzez transport jonów. Uwolnienie jonów potasu i wejście chloru zwiększa spoczynkowy potencjał błony.

Potencjał czynnościowy gromadzi się w fazie depolaryzacji, czyli wzrostu ładunku elektrycznego.

Fazy potencjału czynnościowego. Fizjologia

Zatem depolaryzacja w fizjologii oznacza spadek potencjału błonowego. Depolaryzacja jest podstawą wystąpienia pobudliwości, czyli potencjału czynnościowego komórki nerwowej. Po osiągnięciu krytycznego poziomu depolaryzacji żaden bodziec, nawet silny, nie jest w stanie wywołać reakcji w komórkach nerwowych. Wewnątrz aksonu znajduje się dużo sodu.

Po tym etapie następuje bezpośrednio faza względnej pobudliwości. Odpowiedź jest już możliwa, ale tylko na silny sygnał bodźcowy. Względna pobudliwość powoli przechodzi w fazę uniesienia. Czym jest wywyższenie? Jest to szczyt pobudliwości tkanki.

Przez cały ten czas kanały aktywacji sodu są zamknięte. A ich otwarcie nastąpi tylko po rozładowaniu. Repolaryzacja jest konieczna, aby przywrócić ładunek ujemny wewnątrz światłowodu.

Co oznacza krytyczny poziom depolaryzacji (CLD)?

Zatem pobudliwość w fizjologii to zdolność komórki lub tkanki do reagowania na bodziec i generowania pewnego rodzaju impulsu. Jak się dowiedzieliśmy, komórki potrzebują określonego ładunku – polaryzacji – aby działać. Wzrost ładunku od minus do plusa nazywa się depolaryzacją.

Po depolaryzacji zawsze następuje repolaryzacja. Ładunek wewnątrz po fazie wzbudzenia musi ponownie stać się ujemny, aby ogniwo mogło przygotować się do kolejnej reakcji.

Gdy odczyty woltomierza są ustalone na 80 - odpoczynek. Następuje to po zakończeniu repolaryzacji i jeśli urządzenie wykazuje wartość dodatnią (większą od 0), oznacza to, że faza odwrotna do repolaryzacji zbliża się do poziomu maksymalnego – krytycznego poziomu depolaryzacji.

W jaki sposób impulsy przekazywane są z komórek nerwowych do mięśni?

Impulsy elektryczne generowane podczas wzbudzenia membrany są przesyłane wzdłuż włókien nerwowych z dużą prędkością. Szybkość sygnału tłumaczy się budową aksonu. Akson jest częściowo otoczony osłoną. A pomiędzy obszarami z mieliną znajdują się węzły Ranviera.

Dzięki takiemu ułożeniu włókna nerwowego ładunek dodatni występuje naprzemiennie z ujemnym, a prąd depolaryzujący rozprzestrzenia się niemal jednocześnie na całej długości aksonu. Sygnał skurczu dociera do mięśnia w ułamku sekundy. Wskaźnik taki jak krytyczny poziom depolaryzacji błony oznacza punkt, w którym osiągany jest szczytowy potencjał czynnościowy. Po skurczu mięśnia wzdłuż całego aksonu rozpoczyna się repolaryzacja.

Co dzieje się podczas depolaryzacji?

Co oznacza taki wskaźnik, jak krytyczny poziom depolaryzacji? W fizjologii oznacza to, że komórki nerwowe są już gotowe do pracy. Prawidłowe funkcjonowanie całego narządu zależy od normalnej, terminowej zmiany faz potencjału czynnościowego.

Poziom krytyczny (CLL) wynosi około 40-50 Mv. W tym czasie pole elektryczne wokół membrany maleje. zależy bezpośrednio od tego, ile kanałów sodowych w komórce jest otwartych. Komórka w tym momencie nie jest jeszcze gotowa do reakcji, ale gromadzi potencjał elektryczny. Okres ten nazywany jest absolutną ogniotrwałością. Faza trwa tylko 0,004 s w komórkach nerwowych, a w kardiomiocytach - 0,004 s.

Po przejściu krytycznego poziomu depolaryzacji pojawia się nadpobudliwość. Komórki nerwowe potrafią reagować nawet na działanie bodźca podprogowego, czyli stosunkowo słabego wpływu środowiska.

Funkcje kanałów sodowych i potasowych

Zatem ważnym uczestnikiem procesów depolaryzacji i repolaryzacji jest białkowy kanał jonowy. Zastanówmy się, co oznacza ta koncepcja. Kanały jonowe to makrocząsteczki białkowe zlokalizowane wewnątrz błony komórkowej. Kiedy są otwarte, mogą przez nie przechodzić jony nieorganiczne. Kanały białkowe mają filtr. Tylko sód przechodzi przez przewód sodowy i tylko ten pierwiastek przechodzi przez przewód potasowy.

Te sterowane elektrycznie kanały mają dwie bramki: jedna to aktywacja i umożliwia przejście jonów, druga to inaktywacja. W momencie, gdy potencjał spoczynkowy błony wynosi -90 mV, bramka jest zamknięta, natomiast gdy rozpoczyna się depolaryzacja, kanały sodowe powoli się otwierają. Wzrost potencjału prowadzi do gwałtownego zamknięcia zaworów kanałowych.

Czynnikiem wpływającym na aktywację kanałów jest pobudliwość błony komórkowej. Pod wpływem pobudliwości elektrycznej wyzwalane są 2 rodzaje receptorów jonowych:

wyzwalane jest działanie receptorów ligandów - dla kanałów chemozależnych;
sygnał elektryczny jest dostarczany do kanałów sterowanych elektrycznie.

Po osiągnięciu krytycznego poziomu depolaryzacji błony komórkowej receptory dają sygnał, że wszystkie kanały sodowe muszą zostać zamknięte, a kanały potasowe zaczynają się otwierać.

Pompa sodowo-potasowa

Procesy przekazywania impulsów wzbudzenia zachodzą wszędzie na skutek polaryzacji elektrycznej, realizowanej w wyniku ruchu jonów sodu i potasu. Ruch pierwiastków odbywa się na zasadzie jonów - 3 Na + do wewnątrz i 2 K + na zewnątrz. Ten mechanizm metaboliczny nazywany jest pompą sodowo-potasową.

Depolaryzacja kardiomiocytów. Fazy skurczu serca

Cykle skurczów serca są również powiązane z depolaryzacją elektryczną dróg przewodzenia. Sygnał skurczu zawsze pochodzi z komórek SA znajdujących się w prawym przedsionku i rozprzestrzenia się drogą Hissa do pęczka Thorela i Bachmanna do lewego przedsionka. Prawa i lewa gałąź wiązki Hissa przekazują sygnał do komór serca.

Komórki nerwowe depolaryzują się szybciej i przekazują sygnał ze względu na obecność tkanki mięśniowej, ale tkanka mięśniowa również stopniowo ulega depolaryzacji. Oznacza to, że ich ładunek zmienia się z ujemnego na dodatni. Ta faza cyklu serca nazywa się rozkurczem. Wszystkie komórki tutaj są ze sobą połączone i działają jak jeden kompleks, ponieważ praca serca musi być jak najlepiej skoordynowana.

Kiedy dochodzi do krytycznego poziomu depolaryzacji ścian prawej i lewej komory, następuje uwolnienie energii – serce się kurczy. Następnie wszystkie komórki ulegają repolaryzacji i przygotowują się do nowego skurczu.

Depresja Verigo

W 1889 roku opisano w fizjologii zjawisko zwane depresją katolicką Verigo. Krytyczny poziom depolaryzacji to poziom depolaryzacji, przy którym wszystkie kanały sodowe są już inaktywowane, a zamiast nich działają kanały potasowe. Jeśli stopień prądu wzrośnie jeszcze bardziej, wówczas pobudliwość włókna nerwowego znacznie maleje. A krytyczny poziom depolaryzacji pod wpływem bodźców wykracza poza skalę.

Podczas depresji Verigo szybkość przewodzenia wzbudzenia maleje i ostatecznie całkowicie ustępuje. Komórka zaczyna się dostosowywać, zmieniając swoje cechy funkcjonalne.

Mechanizm adaptacyjny

Zdarza się, że w pewnych warunkach prąd depolaryzujący nie przełącza się przez długi czas. Jest to charakterystyczne dla włókien czuciowych. Stopniowy, długotrwały wzrost takiego prądu powyżej normy 50 mV prowadzi do wzrostu częstotliwości impulsów elektronicznych.

W odpowiedzi na takie sygnały wzrasta przewodność błony potasowej. Aktywowane są wolniejsze kanały. W rezultacie tkanka nerwowa staje się zdolna do powtarzalnych reakcji. Nazywa się to adaptacją włókien nerwowych.

Podczas adaptacji zamiast dużej liczby krótkich sygnałów komórki zaczynają się gromadzić i uwalniać pojedynczy silny potencjał. Zwiększają się także odstępy między dwiema reakcjami.

Impuls elektryczny, który przemieszcza się przez serce i wyzwala każdy cykl skurczu, nazywany jest potencjałem czynnościowym; reprezentuje falę krótkotrwałej depolaryzacji, podczas której potencjał wewnątrzkomórkowy w każdej komórce z kolei staje się na krótki czas dodatni, a następnie powraca do pierwotnego, ujemnego poziomu. Zmiany prawidłowego potencjału czynnościowego serca mają charakterystyczny postęp w czasie, który dla wygody podzielono na następujące fazy: faza 0 – początkowa szybka depolaryzacja błony; faza 1 – szybka, ale niepełna repolaryzacja; faza 2 - plateau lub przedłużona depolaryzacja, charakterystyczna dla potencjału czynnościowego komórek serca; faza 3 – ostateczna szybka repolaryzacja; faza 4 - okres rozkurczu.

Podczas potencjału czynnościowego potencjał wewnątrzkomórkowy staje się dodatni, ponieważ wzbudzona membrana chwilowo staje się bardziej przepuszczalna dla Na + (w porównaniu do K +) , dlatego potencjał błonowy przez pewien czas zbliża się wartością do potencjału równowagowego jonów sodu (E Na) - EN a można określić za pomocą zależności Nernsta; przy stężeniach zewnątrzkomórkowych i wewnątrzkomórkowych odpowiednio Na+ 150 i 10 mM będzie to:

Jednakże zwiększona przepuszczalność dla Na+ utrzymuje się jedynie przez krótki czas, przez co potencjał błonowy nie osiąga E Na i powraca do poziomu spoczynkowego po zakończeniu potencjału czynnościowego.

Powyższe zmiany przepuszczalności, powodujące rozwój fazy depolaryzacji potencjału czynnościowego, powstają w wyniku otwierania i zamykania specjalnych kanałów błonowych, czyli porów, przez które z łatwością przechodzą jony sodu. Uważa się, że bramkowanie reguluje otwieranie i zamykanie poszczególnych kanałów, które mogą występować w co najmniej trzech konformacjach – otwartej, zamkniętej i nieaktywnej. Jedna bramka odpowiadająca zmiennej aktywacji M w opisie Hodgkina-Huxleya prądy jonów sodu w błonie aksonu olbrzymiego kałamarnicy poruszają się szybko, aby otworzyć kanał, gdy błona zostaje nagle depolaryzowana przez bodziec. Inne bramki odpowiadające zmiennej inaktywacyjnej H w opisie Hodgkina-Huxleya podczas depolaryzacji poruszają się wolniej, a ich funkcją jest zamykanie kanału (ryc. 3.3). Zarówno ustalony rozkład bramek w systemie kanałów, jak i szybkość ich przejścia z jednej pozycji do drugiej zależą od poziomu potencjału błonowego. Dlatego do opisu przewodności Na + membrany używa się terminów zależny od czasu i zależny od napięcia.

Jeśli błona spoczynkowa zostanie nagle zdepolaryzowana do potencjału dodatniego (na przykład w eksperymencie z zaciskaniem napięcia), bramka aktywacyjna szybko zmieni swoje położenie, otwierając kanały sodowe, a następnie bramka inaktywacyjna powoli je zamknie (rysunek 3.3). . Słowo powolne oznacza tutaj, że dezaktywacja zajmuje kilka milisekund, podczas gdy aktywacja następuje w ułamku milisekundy. Bramki pozostają w tych pozycjach aż do ponownej zmiany potencjału błony, a aby wszystkie bramki powróciły do pierwotnego stanu spoczynku, membrana musi zostać całkowicie repolaryzowana do wysokiego poziomu ujemnego potencjału. Jeśli membrana zostanie repolaryzowana tylko do niskiego poziomu potencjału ujemnego, wówczas niektóre bramki inaktywacyjne pozostaną zamknięte, a maksymalna liczba dostępnych kanałów sodowych, które mogą się otworzyć podczas późniejszej depolaryzacji, zostanie zmniejszona. (Aktywność elektryczna komórek serca, w których kanały sodowe są całkowicie inaktywowane, zostanie omówiona poniżej.) Całkowita repolaryzacja błony na końcu normalnego potencjału czynnościowego gwarantuje, że wszystkie bramki powrócą do swojego pierwotnego stanu i dlatego będą gotowe do następnego działania potencjał.

Ryż. 3.3. Schematyczne przedstawienie kanałów membranowych dla przepływów jonów do wewnątrz przy potencjale spoczynkowym, a także podczas aktywacji i inaktywacji.

Po lewej stronie znajduje się sekwencja stanów kanałów przy normalnym potencjale spoczynkowym wynoszącym -90 mV. W stanie spoczynku bramy inaktywacji zarówno kanału Na + (h), jak i wolnego kanału Ca2+ /Na + (f) są otwarte. Podczas aktywacji po wzbudzeniu komórki, bramka t kanału Na + otwiera się i napływający przepływ jonów Na + depolaryzuje komórkę, co prowadzi do wzrostu potencjału czynnościowego (wykres poniżej). Następnie bramka h zamyka się, inaktywując w ten sposób przewodzenie Na+. Wraz ze wzrostem potencjału czynnościowego potencjał błonowy przekracza bardziej dodatni próg potencjału kanału wolnego; otwiera się ich bramka aktywacyjna (d) i jony Ca 2+ i Na + dostają się do komórki, powodując rozwój fazy plateau potencjału czynnościowego. Brama f, która inaktywuje kanały Ca 2+ /Na +, zamyka się znacznie wolniej niż bramka h, która inaktywuje kanały Na. Centralny fragment przedstawia zachowanie kanału, gdy potencjał spoczynkowy spada do wartości poniżej -60 mV. Większość bramek inaktywujących kanał Na pozostaje zamknięta tak długo, jak membrana jest depolaryzowana; Dopływ Na +, który ma miejsce podczas stymulacji komórki, jest zbyt mały, aby spowodować rozwój potencjału czynnościowego. Jednakże bramka inaktywacyjna (f) wolnych kanałów nie zamyka się i, jak pokazano we fragmencie po prawej stronie, jeśli komórka jest wystarczająco pobudzona, aby otworzyć wolne kanały i pozwolić na przejście powoli napływających przepływów jonów, następuje powolny rozwój w odpowiedzi możliwy jest potencjał czynnościowy.

Ryż. 3.4. Potencjał progowy pobudzenia komórek serca.

Po lewej stronie potencjał czynnościowy występujący na poziomie potencjału spoczynkowego -90 mV; dzieje się tak, gdy komórka jest wzbudzana przychodzącym impulsem lub jakimś bodźcem podprogowym, który szybko obniża potencjał błonowy do wartości poniżej poziomu progowego -65 mV. Po prawej stronie przedstawiono skutki dwóch bodźców podprogowych i progowych. Bodźce podprogowe (aib) nie redukują potencjału błonowego do poziomu progowego; dlatego nie występuje żaden potencjał czynnościowy. Bodziec progowy (c) zmniejsza potencjał błonowy dokładnie do poziomu progowego, przy którym następuje potencjał czynnościowy.

Szybka depolaryzacja na początku potencjału czynnościowego jest spowodowana silnym napływem jonów sodu do wnętrza komórki (odpowiadającym gradientowi ich potencjału elektrochemicznego) przez otwarte kanały sodowe. Przede wszystkim jednak muszą zostać skutecznie otwarte kanały sodowe, co wymaga szybkiej depolaryzacji odpowiednio dużej powierzchni błony do wymaganego poziomu, zwanego potencjałem progowym (ryc. 3.4). Eksperymentalnie można to osiągnąć przepuszczając przez membranę prąd z zewnętrznego źródła i stosując zewnątrzkomórkową lub wewnątrzkomórkową elektrodę stymulującą. W warunkach naturalnych temu samemu celowi służą lokalne prądy przepływające przez membranę bezpośrednio przed propagującym potencjałem czynnościowym. Na potencjale progowym otwarta jest wystarczająca liczba kanałów sodowych, co zapewnia niezbędną amplitudę przychodzącego prądu sodowego, a w konsekwencji dalszą depolaryzację membrany; z kolei depolaryzacja powoduje otwarcie większej liczby kanałów, co skutkuje zwiększeniem napływającego przepływu jonów, dzięki czemu proces depolaryzacji staje się regeneracyjny. Szybkość depolaryzacji regeneracyjnej (lub wzrostu potencjału czynnościowego) zależy od siły dopływającego prądu sodowego, co z kolei jest określane przez takie czynniki, jak wielkość gradientu potencjału elektrochemicznego Na + i liczba dostępnych (lub nieinaktywowanych) kanały sodowe. We włóknach Purkiniego maksymalna szybkość depolaryzacji podczas rozwoju potencjału czynnościowego, oznaczona jako dV/dt max lub V max, osiąga około 500 V/s, a jeśli szybkość ta utrzymałaby się przez całą fazę depolaryzacji od -90 mV do + 30 mV, wówczas zmiana potencjału o wartości 120 mV zajęłaby około 0,25 ms. Maksymalna szybkość depolaryzacji włókien pracującego mięśnia sercowego komór wynosi około 200 V/s, a włókien mięśnia przedsionkowego wynosi od 100 do 200 V/s. (Faza depolaryzacji potencjału czynnościowego w komórkach zatok i węzłów przedsionkowo-komorowych różni się znacznie od właśnie opisanej i zostanie omówiona osobno; patrz poniżej.)

Potencjały czynnościowe o tak dużym tempie wzrostu (często nazywane szybkimi reakcjami) szybko przemieszczają się po całym sercu. Szybkość propagacji potencjału czynnościowego (oraz Vmax) w ogniwach o tej samej przepuszczalności błony i oporności osiowej jest zdeterminowana głównie przez amplitudę prądu dochodzącego do wnętrza ogniwa w fazie narastania potencjału czynnościowego. Dzieje się tak dlatego, że prądy lokalne przepływające przez ogniwa bezpośrednio przed potencjałem czynnościowym mają większą wielkość przy szybszym wzroście potencjału, przez co potencjał błonowy w tych ogniwach osiąga poziom progowy wcześniej niż w przypadku prądów o mniejszych wielkość (patrz ryc. 3.4) . Oczywiście te lokalne prądy przepływają przez błonę komórkową natychmiast po minięciu potencjału działania propagacyjnego, ale nie są już w stanie wzbudzić membrany ze względu na jej ogniotrwałość.

Ryż. 3.5. Normalne potencjały czynnościowe i reakcje wywołane bodźcami na różnych etapach repolaryzacji.

Amplituda i wzrost szybkości odpowiedzi wywołanych podczas repolaryzacji zależą od poziomu potencjału błonowego, przy którym one występują. Najwcześniejsze reakcje (aib) występują na tak niskim poziomie, że są zbyt słabe i nie mogą się rozprzestrzeniać (reakcje stopniowe lub lokalne). Odpowiedź B reprezentuje najwcześniejszy z propagujących się potencjałów czynnościowych, ale jej propagacja jest powolna ze względu na niewielki wzrost prędkości i małą amplitudę. Odpowiedź d pojawia się tuż przed całkowitą repolaryzacją, jej szybkość wzmocnienia i amplituda są wyższe niż w przypadku odpowiedzi c, ponieważ występuje przy wyższym potencjale błonowym; jednakże tempo jego rozprzestrzeniania się staje się wolniejsze niż normalnie. Odpowiedź d obserwuje się po całkowitej repolaryzacji, dlatego jej amplituda i szybkość depolaryzacji są prawidłowe; dlatego szybko się rozprzestrzenia. PP - potencjał spoczynkowy.

Długi okres refrakcji po pobudzeniu komórek serca wynika z długiego czasu trwania potencjału czynnościowego i zależności mechanizmu bramkowania kanału sodowego od napięcia. Po fazie wzrostu potencjału czynnościowego następuje okres od setek do kilkuset milisekund, podczas którego nie następuje reakcja regeneracyjna na powtarzający się bodziec (ryc. 3.5). Jest to tak zwany absolutny lub skuteczny okres refrakcji; zwykle obejmuje plateau (fazę 2) potencjału czynnościowego. Jak opisano powyżej, kanały sodowe są inaktywowane i pozostają zamknięte podczas tej trwałej depolaryzacji. Podczas repolaryzacji potencjału czynnościowego (faza 3) inaktywacja jest stopniowo eliminowana, tak że odsetek kanałów zdolnych do reaktywacji stale wzrasta. Dlatego też bodziec na początku repolaryzacji może wywołać tylko niewielki napływ jonów sodu, ale taki napływ będzie wzrastał w miarę dalszej repolaryzacji potencjału czynnościowego. Jeżeli niektóre kanały sodowe pozostają niepobudliwe, wywołany do wewnątrz przepływ Na+ może prowadzić do depolaryzacji regeneracyjnej, a tym samym do potencjału czynnościowego. Jednak szybkość depolaryzacji, a tym samym prędkość propagacji potencjałów czynnościowych, jest znacznie zmniejszona (patrz ryc. 3.5) i normalizuje się dopiero po całkowitej repolaryzacji. Czas, w którym powtarzany bodziec jest w stanie wywołać stopniowane potencjały czynnościowe, nazywany jest względnym okresem refrakcji. Zależność napięciową eliminacji inaktywacji zbadał Weidmann, który stwierdził, że szybkość wzrostu potencjału czynnościowego i możliwy poziom, na którym ten potencjał jest wywoływany, pozostają w zależności w kształcie litery S, znanej również jako krzywa reaktywności błony.

Niskie tempo wzrostu potencjałów czynnościowych wywołane we względnym okresie refrakcji powoduje ich powolną propagację; Takie potencjały czynnościowe mogą powodować szereg zaburzeń przewodzenia, takich jak opóźnienie, tłumienie i blokowanie, a nawet mogą powodować krążenie wzbudzenia. Zjawiska te zostaną omówione w dalszej części tego rozdziału.

W normalnych komórkach serca po napływającym prądzie sodu odpowiedzialnym za szybki wzrost potencjału czynnościowego następuje drugi przychodzący prąd, mniejszy i wolniejszy niż prąd sodu, który wydaje się być przenoszony głównie przez jony wapnia. Prąd ten zwykle określa się jako powolny prąd do wewnątrz (choć jest on taki tylko w porównaniu z szybkim prądem sodowym; inne ważne zmiany, takie jak te obserwowane podczas repolaryzacji, zachodzą prawdopodobnie wolniej); przepływa przez kanały, które ze względu na charakterystykę przewodności zależną od czasu i napięcia nazwano kanałami wolnymi (patrz rys. 3.3). Próg aktywacji dla tej przewodności (tj. moment, w którym bramka aktywacyjna d zaczyna się otwierać) leży pomiędzy -30 a -40 mV (porównaj: -60 do -70 mV dla przewodności sodu). Regeneracyjna depolaryzacja spowodowana szybkim prądem sodowym zwykle aktywuje przewodzenie powolnego prądu przychodzącego, tak że podczas późniejszego wzrostu potencjału czynnościowego prąd przepływa przez oba typy kanałów. Jednakże prąd Ca 2+ jest znacznie mniejszy niż maksymalny szybki prąd Na +, więc jego udział w potencjale czynnościowym jest bardzo mały, dopóki szybki prąd Na + nie zostanie wystarczająco inaktywowany (tj. po początkowym szybkim wzroście potencjału). Ponieważ powolny prąd wejściowy może być dezaktywowany bardzo powoli, przyczynia się on głównie do fazy plateau potencjału czynnościowego. Zatem poziom plateau przesuwa się w kierunku depolaryzacji, gdy gradient potencjału elektrochemicznego dla Ca 2+ wzrasta wraz ze wzrostem stężenia 0; spadek 0 powoduje przesunięcie poziomu plateau w przeciwnym kierunku. Jednakże w niektórych przypadkach może występować udział prądu wapniowego w fazie wzrostu potencjału czynnościowego. Na przykład krzywa wzrostu potencjału czynnościowego we włóknach mięśnia sercowego żaby czasami wykazuje zagięcie wokół 0 mV w punkcie, w którym początkowa szybka depolaryzacja ustępuje wolniejszej depolaryzacji, która trwa aż do szczytowego przekroczenia potencjału czynnościowego. Wykazano, że szybkość wolniejszej depolaryzacji i wielkość przeregulowania rosną wraz ze wzrostem 0 .

Oprócz różnej zależności od potencjału błony i czasu, te dwa rodzaje przewodnictwa różnią się także właściwościami farmakologicznymi. Zatem prąd przez szybkie kanały Na + jest redukowany przez tetrodotoksynę (TTX), podczas gdy TTX nie ma wpływu na powolny prąd Ca 2+, ale jest wzmacniany przez katecholaminy i hamowany przez jony manganu, a także niektóre leki, takie jak werapamil i D-600. Wydaje się bardzo prawdopodobne (przynajmniej w sercu żaby), że większość wapnia potrzebnego do aktywacji białek biorących udział w każdym uderzeniu serca dostaje się do komórki podczas potencjału czynnościowego poprzez kanał powolnego prądu płynącego do wewnątrz. U ssaków dostępnym dodatkowym źródłem Ca 2+ dla komórek serca są jego rezerwy w siateczce sarkoplazmatycznej.

Zmiany MF zachodzą nie tylko bezpośrednio w punktach przyłożenia katody i anody do włókna nerwowego, ale także w pewnej odległości od nich, przy czym wielkość tych przesunięć maleje wraz z odległością od elektrod. Zmiany MF pod elektrodami nazywane są elektrotonicznymi (odpowiednio kat-elektroton i an-elektroton), a za elektrodami - perieelektrotonicznymi (kat- i an-perieelektroton).

Wzrostowi MF pod anodą (hiperpolaryzacja pasywna) nie towarzyszy zmiana przepuszczalności jonowej membrany, nawet przy dużym przyłożonym prądzie. Dlatego też, gdy prąd stały jest zamknięty, pod anodą nie występuje wzbudzenie. Natomiast spadek MF pod katodą (depolaryzacja pasywna) pociąga za sobą krótkotrwały wzrost przepuszczalności Na, co prowadzi do wzbudzenia.

Wzrost przepuszczalności błony dla Na po stymulacji progowej nie osiąga od razu wartości maksymalnej. W pierwszej chwili depolaryzacja membrany pod katodą prowadzi do nieznacznego wzrostu przepuszczalności sodu i otwarcia niewielkiej liczby kanałów. Kiedy pod wpływem tego dodatnio naładowane jony Na+ zaczynają przedostawać się do protoplazmy, wzrasta depolaryzacja błony. Prowadzi to do otwarcia innych kanałów Na, a w konsekwencji do dalszej depolaryzacji, co z kolei powoduje jeszcze większy wzrost przepuszczalności sodu. Ten proces okrężny, oparty na tzw. dodatnie sprzężenie zwrotne, zwane depolaryzacją regeneracyjną. Zachodzi to dopiero wtedy, gdy Eo spadnie do poziomu krytycznego (Ek). Przyczyną wzrostu przepuszczalności sodu podczas depolaryzacji jest prawdopodobnie usunięcie Ca++ z bramki sodowej, gdy po zewnętrznej stronie membrany występuje elektroujemność (lub elektropozytywność maleje).

Zwiększona przepuszczalność sodu zatrzymuje się po dziesiątych milisekundy z powodu mechanizmów inaktywacji sodu.

Szybkość depolaryzacji błony zależy od siły prądu drażniącego. Przy słabej sile depolaryzacja rozwija się powoli, dlatego aby wystąpił AP, taki bodziec musi trwać długo.

Lokalna odpowiedź występująca w przypadku bodźców podprogowych, takich jak AP, jest spowodowana wzrostem przepuszczalności błony przez sód. Jednakże pod wpływem bodźca progowego wzrost ten nie jest na tyle duży, aby spowodować proces regeneracyjnej depolaryzacji błony. Dlatego początek depolaryzacji zostaje zatrzymany przez inaktywację i wzrost przepuszczalności potasu.

Podsumowując powyższe, możemy przedstawić łańcuch zdarzeń zachodzących we włóknie nerwowym lub mięśniowym pod katodą prądu drażniącego w następujący sposób: bierna depolaryzacja błony ---- zwiększona przepuszczalność sodu --- zwiększony przepływ Na do włókno --- aktywna depolaryzacja błony -- odpowiedź lokalna --- nadmiar Ec --- depolaryzacja regeneracyjna --- potencjał czynnościowy (AP).

Jaki jest mechanizm powstawania wzbudzenia pod anodą podczas otwierania? W momencie załączenia prądu pod anodą potencjał membrany wzrasta – następuje hiperpolaryzacja. Jednocześnie rośnie różnica między Eo i Ek, a aby przesunąć MP do poziomu krytycznego, potrzebna jest większa siła. Po wyłączeniu prądu (otwarciu) przywracany jest pierwotny poziom Eo. Wydawać by się mogło, że w tej chwili nie ma warunków do wystąpienia podniecenia. Jest to jednak prawdą tylko wtedy, gdy prąd trwał bardzo krótko (mniej niż 100 ms). Przy długotrwałym narażeniu na prąd sam krytyczny poziom depolaryzacji zaczyna się zmieniać - rośnie. I wreszcie nadchodzi moment, gdy nowy Ek zrówna się ze starym poziomem Eo. Teraz, gdy prąd zostanie wyłączony, powstają warunki wzbudzenia, ponieważ potencjał błonowy staje się równy nowemu krytycznemu poziomowi depolaryzacji. Wartość PD przy otwieraniu jest zawsze większa niż przy zamykaniu.

Zależność siły progowej bodźca od czasu jego trwania. Jak już wskazano, siła progowa dowolnego bodźca, w pewnych granicach, jest odwrotnie proporcjonalna do czasu jego trwania. Zależność ta objawia się szczególnie wyraźnie, gdy jako bodziec stosuje się prostokątne udary prądu stałego. Krzywą uzyskaną w takich eksperymentach nazwano „krzywą siła-czas”. Badali go Goorweg, Weiss i Lapik na początku stulecia. Z badania tej krzywej wynika przede wszystkim, że prąd poniżej pewnej minimalnej wartości lub napięcia nie powoduje wzbudzenia, niezależnie od tego, jak długo trwa. Minimalna siła prądu, która może spowodować wzbudzenie, Lapik nazywa reobazą. Najkrótszy czas, w którym musi zadziałać bodziec drażniący, nazywa się czasem użytecznym. Zwiększenie prądu powoduje skrócenie minimalnego czasu stymulacji, ale nie w nieskończoność. Przy bardzo krótkich bodźcach krzywa siła-czas staje się równoległa do osi współrzędnych. Oznacza to, że przy tak krótkotrwałych podrażnieniach nie dochodzi do pobudzenia, niezależnie od siły podrażnienia.

Wyznaczenie czasu użytecznego jest praktycznie trudne, ponieważ punkt czasu użytecznego znajduje się na odcinku krzywej przechodzącej w równoległą. Dlatego Lapik zaproponował wykorzystanie czasu użytecznego dwóch reobaz – chronaksji. Jej punkt znajduje się na najbardziej stromym odcinku krzywej Goorwega-Weissa. Chronaksymetria stała się powszechna zarówno eksperymentalnie, jak i klinicznie, w diagnostyce uszkodzeń włókien nerwowych ruchowych.

Wskazano już powyżej, że depolaryzacja błony prowadzi do rozpoczęcia dwóch procesów: jednego szybkiego, prowadzącego do wzrostu przepuszczalności sodu i wystąpienia AP, oraz drugiego powolnego, prowadzącego do inaktywacji przepuszczalności sodu i zakończenia wzbudzenia . Przy gwałtownym wzroście bodźca aktywacja Na ma czas na osiągnięcie znaczącej wartości, zanim rozwinie się inaktywacja Na. W przypadku powolnego wzrostu natężenia prądu na pierwszy plan wysuwają się procesy inaktywacji, prowadzące do wzrostu progu i zmniejszenia amplitudy AP. Wszystkie środki, które wzmacniają lub przyspieszają inaktywację, zwiększają szybkość akomodacji.

Akomodacja rozwija się nie tylko wtedy, gdy pobudliwe tkanki są podrażniane prądem elektrycznym, ale także wtedy, gdy stosowane są bodźce mechaniczne, termiczne i inne. Zatem szybkie uderzenie nerwu kijem powoduje jego wzbudzenie, natomiast przy powolnym naciskaniu nerwu tym samym kijem nie następuje wzbudzenie. Wyizolowane włókno nerwowe można wzbudzić przez szybkie ochłodzenie, ale nie przez powolne chłodzenie. Żaba wyskoczy, jeśli zostanie wrzucona do wody o temperaturze 40 stopni, ale jeśli tę samą żabę włoży się do zimnej wody i będzie powoli podgrzewać, zwierzę ugotuje się, ale nie zareaguje skokiem na wzrost temperatury.

W laboratorium wskaźnikiem szybkości akomodacji jest najmniejsze nachylenie wzrostu prądu, przy którym bodziec nadal zachowuje zdolność wywoływania AP. To minimalne nachylenie nazywa się nachyleniem krytycznym. Wyraża się go w jednostkach bezwzględnych (mA/s) lub względnych (jako stosunek progowej siły tego stopniowo rosnącego prądu, który wciąż może powodować wzbudzenie, do reobazy prostokątnego impulsu prądowego).

Rysunek 4. Krzywa siły-czas Goorwega-Weissa. Oznaczenia: X - chronaksja, PV - czas użytkowania, P - reobaza, 2р - siła dwóch reobaz

Prawo „wszystko albo nic”. Badając zależność efektów stymulacji od siły zastosowanego bodźca, tzw prawo „wszystko albo nic”.

Zgodnie z tym prawem pod bodźcami progowymi nie powodują one pobudzenia („nic”), natomiast pod bodźcami progowymi pobudzenie natychmiast osiąga wartość maksymalną („wszystko”) i nie zwiększa się już wraz z dalszym nasilaniem bodźca.

Ten wzór został początkowo odkryty przez Bowditcha podczas badania serca, a później został potwierdzony w innych tkankach pobudliwych. Przez długi czas prawo „wszystko albo nic” było błędnie interpretowane jako ogólna zasada reakcji tkanek pobudliwych. Przyjmowano, że „nic” oznaczało całkowity brak reakcji na bodziec podprogowy, a „wszystko” uznawano za przejaw całkowitego wyczerpania potencjalnych możliwości pobudliwego substratu. Dalsze badania, zwłaszcza badania mikroelektrod, wykazały, że ten punkt widzenia nie jest prawdziwy. Okazało się, że przy siłach podprogowych następuje lokalne wzbudzenie niepropagujące (odpowiedź lokalna). Jednocześnie okazało się, że „wszystko” również nie charakteryzuje maksimum, jakie PD może osiągnąć. W żywej komórce zachodzą procesy aktywnie zatrzymujące depolaryzację błony. Jeśli dopływający prąd Na, zapewniający wytwarzanie AP, zostanie osłabiony jakimkolwiek wpływem na włókno nerwowe, na przykład lekami, truciznami, wówczas przestaje on spełniać zasadę „wszystko albo nic” - jego amplituda zaczyna stopniowo zależeć od siła bodźca. Dlatego też „wszystko albo nic” nie jest obecnie uważane za uniwersalne prawo odpowiedzi pobudliwego substratu na bodziec, ale jedynie za regułę charakteryzującą cechy występowania AP w danych określonych warunkach.

Pojęcie pobudliwości. Zmiany pobudliwości pod wpływem podniecenia. Parametry pobudliwości.

Pobudliwość to zdolność komórki nerwowej lub mięśniowej do reagowania na stymulację poprzez wytwarzanie PD. Główną miarą pobudliwości jest zwykle reobaza. Im jest niższy, tym wyższa pobudliwość i odwrotnie. Wynika to z faktu, że, jak powiedzieliśmy wcześniej, głównym warunkiem wystąpienia wzbudzenia jest osiągnięcie krytycznego poziomu depolaryzacji przez 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 wykazał również, że pobudliwość jest wielkością zmienną. Katoda zwiększa pobudliwość, anoda ją zmniejsza. Przypomnijmy, że te zmiany pobudliwości pod elektrodami nazywamy elektrotonicznymi. Rosyjski naukowiec Verigo wykazał, że przy długotrwałym działaniu prądu stałego na tkankę lub pod wpływem silnych bodźców te elektrotoniczne zmiany pobudliwości ulegają wypaczeniu – pod katodą początkowy wzrost pobudliwości zostaje zastąpiony jej spadkiem (tzw. rozwija się tzw. depresja katodowa), a pod anodą stopniowo wzrasta obniżona pobudliwość. Przyczyną tych zmian pobudliwości na biegunach prądu stałego jest fakt, że wartość Ek zmienia się wraz z długotrwałym narażeniem na bodziec. Pod katodą (i podczas wzbudzenia) Ek stopniowo oddala się od MP i maleje, aż nadchodzi moment, w którym różnica E0-Ek staje się większa od początkowej. Prowadzi to do zmniejszenia pobudliwości tkanek. Przeciwnie, pod anodą Ek ma tendencję do wzrostu, stopniowo zbliżając się do Eo. W tym przypadku pobudliwość wzrasta, gdy maleje początkowa różnica między Eo i Ek.

Przyczyną zmiany krytycznego poziomu depolaryzacji pod katodą jest inaktywacja przepuszczalności sodu w wyniku długotrwałej depolaryzacji membrany. Jednocześnie znacznie wzrasta przepuszczalność dla K. Wszystko to prowadzi do tego, że błona komórkowa traci zdolność reagowania na drażniące bodźce. Te same zmiany w błonie leżą u podstaw omawianego już zjawiska akomodacji. Pod anodą, pod wpływem prądu, zjawiska inaktywacji ulegają redukcji.

Zmiany pobudliwości pod wpływem podniecenia. Występowaniu AP we włóknie nerwowym lub mięśniowym towarzyszą wielofazowe zmiany pobudliwości. Aby je zbadać, nerw lub mięsień poddaje się działaniu dwóch krótkich bodźców elektrycznych następujących po sobie w określonych odstępach czasu. Pierwszy nazywa się irytującym, drugi - testowaniem. Rejestracja PD powstałych w odpowiedzi na te podrażnienia pozwoliła na ustalenie istotnych faktów.

Rycina 5. Zmiany pobudliwości podczas pobudzenia.

Oznaczenia: 1- zwiększona pobudliwość podczas reakcji lokalnej; 2 – absolutna ogniotrwałość; 3- względna ogniotrwałość; 4- nadprzyrodzona pobudliwość podczas śladowej depolaryzacji; 5 – pobudliwość poniżej normy podczas śladowej hiperpolaryzacji.

Podczas reakcji lokalnej zwiększa się pobudliwość, ponieważ błona ulega depolaryzacji i różnica między E0 i Ek maleje. Okres występowania i rozwoju szczytu potencjału czynnościowego odpowiada całkowitemu zanikowi pobudliwości, zwanemu absolutną ogniotrwałością (niewrażliwością). W tym momencie bodziec testowy nie jest w stanie wywołać nowego PD, niezależnie od tego, jak silne jest to podrażnienie. Czas trwania absolutnej ogniotrwałości w przybliżeniu pokrywa się z czasem trwania gałęzi wstępującej AP. W szybko przewodzących włóknach nerwowych wynosi 0,4-0,7 ms. We włóknach mięśnia sercowego - 250-300 ms. Po absolutnej ogniotrwałości rozpoczyna się faza względnej ogniotrwałości, która trwa 4-8 ms. Zbiega się to z fazą repolaryzacji AP. W tym czasie pobudliwość stopniowo powraca do pierwotnego poziomu. W tym okresie włókno nerwowe jest w stanie odpowiedzieć na silną stymulację, ale amplituda potencjału czynnościowego zostanie znacznie zmniejszona.

Według teorii jonów Hodgkina-Huxleya absolutna ogniotrwałość jest spowodowana najpierw obecnością maksymalnej przepuszczalności sodu, gdy nowy bodziec nie może niczego zmienić ani dodać, a następnie rozwojem inaktywacji sodu, która zamyka kanały Na. Następuje spadek inaktywacji sodu, w wyniku czego stopniowo przywracana jest zdolność włókna do wytwarzania AP. Jest to stan względnej ogniotrwałości.

Względną fazę refrakcji zastępuje się fazą zwiększonej (nadnormalnej) pobudliwości I, pokrywający się w czasie z okresem śladowej depolaryzacji. W tej chwili różnica między Eo i Ek jest mniejsza niż pierwotna. We włóknach nerwu ruchowego zwierząt stałocieplnych czas trwania fazy nadnormalnej wynosi 12–30 ms.

Okres zwiększonej pobudliwości zostaje zastąpiony fazą podnormalną, która pokrywa się ze śladową hiperpolaryzacją. W tym momencie wzrasta różnica pomiędzy potencjałem błonowym (Eo) a krytycznym poziomem depolaryzacji (Ek). Czas trwania tej fazy wynosi kilkadziesiąt lub kilkaset ms.

Labilność. Zbadaliśmy podstawowe mechanizmy powstawania i propagacji pojedynczej fali wzbudzenia we włóknach nerwowych i mięśniowych. Jednak w naturalnych warunkach istnienia organizmu przez włókna nerwowe przechodzą nie pojedyncze, ale rytmiczne salwy potencjałów czynnościowych. We wrażliwych zakończeniach nerwowych zlokalizowanych w dowolnej tkance powstają rytmiczne wyładowania impulsów, które rozprzestrzeniają się wzdłuż odchodzących od nich włókien nerwowych doprowadzających, nawet przy bardzo krótkotrwałej stymulacji. Podobnie z centralnego układu nerwowego wzdłuż nerwów odprowadzających następuje przepływ impulsów na obwód do narządów wykonawczych. Jeśli narządem wykonawczym są mięśnie szkieletowe, wówczas pojawiają się w nich przebłyski wzbudzenia w rytmie impulsów docierających wzdłuż nerwu.

Częstotliwość wyładowań impulsowych w tkankach pobudliwych może być bardzo zróżnicowana w zależności od siły zastosowanej stymulacji, właściwości i stanu tkanki oraz szybkości poszczególnych aktów wzbudzenia w serii rytmicznej. Aby scharakteryzować tę prędkość, sformułowano pojęcie labilności. Przez labilność, czyli ruchliwość funkcjonalną, rozumiał większą lub mniejszą częstość występowania elementarnych reakcji towarzyszących wzbudzeniu. Miarą labilności jest największa liczba potencjałów czynnościowych, które pobudliwy substrat jest w stanie odtworzyć w jednostce czasu, zgodnie z częstotliwością stosowanej stymulacji.

Początkowo zakładano, że minimalny odstęp między impulsami w szeregu rytmicznym powinien odpowiadać czasowi bezwzględnego okresu refrakcji. Dokładne badania wykazały jednak, że przy częstotliwości powtarzania bodźców w takim odstępie powstają tylko dwa impulsy, a trzeci wypada z powodu rozwijającej się depresji. Dlatego odstęp między impulsami powinien być nieco większy niż bezwzględny okres refrakcji. W komórkach nerwowych ruchowych zwierząt stałocieplnych okres refrakcji wynosi około 0,4 ms, a potencjalny rytm maksymalny powinien wynosić 2500/s, choć w rzeczywistości wynosi około 1000/s. Należy podkreślić, że częstotliwość ta znacznie przewyższa częstotliwość impulsów przechodzących przez te włókna w warunkach fizjologicznych. Ta ostatnia wynosi około 100/sek.

Faktem jest, że zazwyczaj w warunkach naturalnych tkanka pracuje w tzw. rytmie optymalnym. Do przekazywania impulsów w takim rytmie nie jest wymagana duża siła stymulacji. Badania wykazały, że częstotliwość stymulacji i reobaza prądu zdolnego do wywoływania impulsów nerwowych o takiej częstotliwości pozostają w szczególnej relacji: reobaza najpierw spada wraz ze wzrostem częstotliwości impulsów, a następnie ponownie wzrasta. Optymalne dla nerwów jest w zakresie od 75 do 150 impulsów/s, dla mięśni – 20-50 impulsów/s. Rytm ten, w przeciwieństwie do innych, może być odtwarzany bardzo uporczywie i przez długi czas za pomocą pobudliwych formacji.

Zatem możemy teraz wymienić wszystkie główne parametry pobudliwości tkanki, które charakteryzują jej właściwości: reobaza, czas użyteczności (chronaksja), nachylenie krytyczne, labilność. Wszystkie, z wyjątkiem ostatniego, pozostają w odwrotnie proporcjonalnej relacji z pobudliwością.

Pojęcie „parabiozy”. Labilność jest wartością zmienną. Może zmieniać się w zależności od stanu nerwu lub mięśnia, w zależności od siły i czasu trwania padających na nie podrażnień, od stopnia zmęczenia itp. Po raz pierwszy badałem zmianę labilności nerwu podczas poddawany jest najpierw działaniu bodźców chemicznych, a następnie elektrycznych. Odkrył naturalny spadek labilności odcinka nerwu zmieniony przez czynnik chemiczny (amoniak), nazwał to zjawisko „parabiozą” i zbadał jego wzorce. Parabioza jest stanem odwracalnym, który jednak w miarę pogłębiania się działania czynnika ją wywołującego może stać się nieodwracalny.

Wwiedenski uważał parabiozę za szczególny stan trwałego, niezmiennego pobudzenia, jakby zamrożony w jednym odcinku włókna nerwowego. Rzeczywiście, miejsce parabiotyczne jest naładowane ujemnie. Wwiedenski uważał to zjawisko za prototyp przejścia pobudzenia do hamowania w ośrodkach nerwowych. Jego zdaniem parabioza powstaje w wyniku nadmiernego pobudzenia komórki nerwowej poprzez zbyt dużą lub zbyt częstą stymulację.

Rozwój parabiozy przebiega w trzech etapach: wyrównującym, paradoksalnym i hamującym. Początkowo, w wyniku zmniejszenia akomodacji, pojedyncze impulsy prądu o niskiej częstotliwości, o ile mają wystarczającą siłę, wytwarzają już nie 1 impuls, ale 2,3 lub nawet 4. Jednocześnie wzrasta próg pobudliwości i Maksymalny rytm wzbudzenia stopniowo maleje. W rezultacie nerw zaczyna reagować na impulsy o niskiej i wysokiej częstotliwości z tą samą częstotliwością wyładowań, która jest najbliższa optymalnemu rytmowi dla tego nerwu. Jest to faza wyrównująca parabiozy. W kolejnym etapie rozwoju procesu, w obszarze progowych natężeń pobudzeń, odtwarzanie rytmu zbliżonego do optymalnego jest nadal zachowane, a tkanka albo w ogóle nie reaguje na częste impulsy, albo reaguje bardzo rzadkimi falami wzbudzenia. To paradoksalny etap.

Następnie maleje zdolność włókna do rytmicznej aktywności falowej, maleje również amplituda AP i wydłuża się czas jego trwania.Każdy wpływ zewnętrzny wzmacnia stan zahamowania włókna nerwowego i jednocześnie sam się hamuje. Jest to ostatnia, hamująca faza parabiozy.

Obecnie opisywane zjawisko tłumaczy się z punktu widzenia teorii membranowej naruszeniem mechanizmu zwiększania przepuszczalności sodu i pojawieniem się długotrwałej inaktywacji sodu. Dzięki temu kanały Na pozostają zamknięte, gromadzi się ono w komórce, a zewnętrzna powierzchnia membrany przez długi czas utrzymuje ładunek ujemny. Zapobiega to nowym podrażnieniom poprzez wydłużenie okresu refrakcji. Kiedy zbliżamy się do miejsca parabiozy z często następującymi po sobie AP, inaktywacja przepuszczalności sodu spowodowana przez czynnik zmieniający jest dodawana do inaktywacji towarzyszącej impulsowi nerwowemu. W efekcie pobudliwość zostaje zmniejszona na tyle, że przewodzenie kolejnego impulsu zostaje całkowicie zablokowane.

Metabolizm i energia podczas podniecenia. Kiedy pojawia się pobudzenie i występuje w komórkach nerwowych i włóknach mięśniowych, metabolizm wzrasta. Przejawia się to zarówno w szeregu zmian biochemicznych zachodzących w błonie i protoplazmie komórek, jak i wzroście wytwarzania przez nie ciepła. Ustalono, że pod wpływem wzbudzenia następuje: wzmożony rozkład w komórkach związków bogatych w energię – ATP i fosforanu kreatyny (CP), wzmożone procesy rozkładu i syntezy węglowodanów, białek i lipidów, wzmożone procesy oksydacyjne prowadzące w połączeniu z glikolizą do resyntezy ATP i CP, syntezą i niszczeniem acetylocholiny i noradrenaliny, innych mediatorów, zwiększoną syntezą RNA i białek. Wszystkie te procesy są najbardziej widoczne w okresie przywracania stanu błonowego po PD.

W nerwach i mięśniach każdej fali pobudzenia towarzyszy uwolnienie dwóch porcji ciepła, z których pierwsza nazywana jest ciepłem początkowym, a druga - opóźnionym. Początkowe wytwarzanie ciepła następuje w momencie wzbudzenia i stanowi znikomą część całkowitej produkcji ciepła (2-10%) w czasie wzbudzenia. Zakłada się, że ciepło to jest związane z procesami fizykochemicznymi zachodzącymi w momencie powstawania WNZ. Opóźnione wytwarzanie ciepła występuje przez dłuższy okres czasu, trwający wiele minut. Jest to związane z procesami chemicznymi zachodzącymi w tkance po fali wzbudzenia i, w przenośnym wyrażeniu Ukhtomskiego, stanowi „metaboliczny ogon komety wzbudzenia”.

Przeprowadzanie stymulacji. Klasyfikacja włókien nerwowych.

Gdy tylko AP pojawi się w dowolnym miejscu włókna nerwowego lub mięśniowego i obszar ten uzyska ładunek ujemny, pomiędzy wzbudzoną i sąsiadującą częścią spoczynkową powstaje prąd elektryczny. W tym przypadku wzbudzony odcinek membrany działa na sąsiednie odcinki jak katoda prądu stałego, powodując ich depolaryzację i generując lokalną odpowiedź. Jeżeli wielkość odpowiedzi lokalnej przekracza Ec membrany, następuje wyładowanie niezupełne. W rezultacie zewnętrzna powierzchnia membrany zostaje naładowana ujemnie w nowym obszarze. W ten sposób fala wzbudzenia rozchodzi się po całym włóknie z prędkością około 0,5-3 m/s.

Prawa przewodzenia wzbudzenia wzdłuż nerwów.

1. Prawo ciągłości fizjologicznej. Cięcie, podwiązanie, a także wszelkie inne uderzenia zakłócające integralność membrany (fizjologiczną, a nie tylko anatomiczną), powodują nieprzewodzenie. To samo dzieje się z wpływami termicznymi i chemicznymi.

2. Prawo przewodzenia dwustronnego. Po podrażnieniu włókna nerwowego wzbudzenie rozprzestrzenia się wzdłuż niego w obu kierunkach (wzdłuż powierzchni błony - we wszystkich kierunkach) z tą samą prędkością. Świadczą o tym doświadczenia Babukhina i innych jemu podobnych.

3. Prawo przewodnictwa izolowanego. W nerwie impulsy rozchodzą się wzdłuż każdego włókna oddzielnie, to znaczy nie przechodzą z jednego włókna do drugiego. Jest to bardzo ważne, gdyż zapewnia dokładne adresowanie impulsu. Wynika to z faktu, że opór elektryczny osłonek mielinowych i Schwanna, a także płynu międzykomórkowego, jest znacznie większy niż opór błony włókien nerwowych.

Mechanizmy i szybkość wzbudzenia we włóknach nerwowych niezwiązanych z miazgą i miazgą są różne. W przypadku bezmiazgi wzbudzenie rozciąga się w sposób ciągły wzdłuż całej membrany od jednego wzbudzonego obszaru do drugiego, znajdującego się w pobliżu, jak już omówiliśmy.

We włóknach mielinowych pobudzenie rozprzestrzenia się jedynie spazmatycznie, przeskakując obszary pokryte osłonką mielinową (słoną). Potencjały czynnościowe w tych włóknach powstają tylko w węzłach Ranviera. W spoczynku zewnętrzna powierzchnia pobudliwej błony wszystkich węzłów Ranviera jest naładowana dodatnio. W momencie wzbudzenia powierzchnia pierwszego przechwytywania zostaje naładowana ujemnie w stosunku do sąsiedniego drugiego przechwytywania. Prowadzi to do pojawienia się lokalnego prądu elektrycznego, który przepływa przez płyn międzykomórkowy, błonę i aksoplazmę otaczającą włókno od punktu przechwytującego 2 do 1. Prąd powstający przez przechwytywanie 2 pobudza go, powodując ponowne naładowanie membrany. Teraz ten obszar może wzbudzić następny itd.

Przeskakiwanie AP przez obszar międzyprzechwytujący jest możliwe, ponieważ amplituda AP jest 5-6 razy większa niż próg wymagany do pobudzenia nie tylko kolejnego, ale także 3-5 przechwyceń. Dlatego mikrouszkodzenia włókna w obszarach przechwytujących lub w więcej niż jednym przechwycie nie zatrzymują funkcjonowania włókna nerwowego, dopóki zjawiska regeneracyjne nie zaangażują 3 lub więcej sąsiadujących komórek Schwanna.

Czas potrzebny na przeniesienie wzbudzenia z jednego przechwytu na drugi jest taki sam dla włókien o różnych średnicach i wynosi 0,07 ms. Ponieważ jednak długość odcinków śródmiąższowych jest różna i proporcjonalna do średnicy włókna, w nerwach mielinizowanych prędkość impulsów nerwowych jest wprost proporcjonalna do ich średnicy.

Klasyfikacja włókien nerwowych. Odpowiedź elektryczna całego nerwu jest sumą algebraiczną PD poszczególnych włókien nerwowych. Dlatego z jednej strony amplituda impulsów elektrycznych całego nerwu zależy od siły bodźca (w miarę jego wzrostu zaangażowanych jest coraz więcej włókien), a po drugie, całkowity potencjał czynnościowy nerwu można podzielić na kilka odrębnych oscylacji, czego przyczyną jest nierówna prędkość przewodzenia impulsu wzdłuż nerwu, różne włókna tworzące cały nerw.

Obecnie włókna nerwowe dzieli się zwykle na trzy główne typy w zależności od szybkości wzbudzenia, czasu trwania różnych faz działania i struktury.

Włókna typu A dzielą się na podgrupy (alfa, beta, gamma, delta). Są pokryte osłonką mielinową. Ich prędkość przewodzenia jest najwyższa – 70-120 m/s. Są to włókna motoryczne neuronów ruchowych rdzenia kręgowego. Pozostałe włókna typu A są wrażliwe.

Włókna typu B są mielinowane, przeważnie przedzwojowe. Szybkość przewodzenia - 3-18 m/sek.

Włókna typu C są pozbawione celulozy i mają bardzo małą średnicę (2 mikrony). Prędkość przewodzenia nie przekracza 3 m/s. Są to najczęściej włókna pozazwojowe współczulnego układu nerwowego.

FIZJOLOGIA OGÓLNA

OŚRODKOWY UKŁAD NERWOWY

Fizjologia ośrodkowego układu nerwowego (OUN) jest najbardziej złożonym, ale jednocześnie najbardziej odpowiedzialnym rozdziałem fizjologii, ponieważ u wyższych ssaków i ludzi układ nerwowy pełni funkcję łączenia ze sobą części ciała, ich z jednej strony relacje i integracja, a z drugiej – powiązania funkcyjne pomiędzy czynnikami środowiskowymi a określonymi przejawami aktywności organizmu. Sukcesy współczesnej nauki w rozszyfrowaniu całej złożoności układu nerwowego opierają się na rozpoznaniu jednego mechanizmu jego funkcjonowania – odruchu.

Odruchy to wszelkie czynności organizmu, które zachodzą w odpowiedzi na podrażnienie receptorów i odbywają się przy udziale ośrodkowego układu nerwowego. Idea odruchu została po raz pierwszy sformułowana przez Kartezjusza i rozwinięta przez Sechenowa, Pawłowa i Anokhina. Każdy odruch odbywa się dzięki działaniu pewnych formacji strukturalnych układu nerwowego. Zanim jednak przeanalizujemy cechy strukturalne łuku odruchowego, musimy zapoznać się ze strukturą i właściwościami jednostki funkcjonalnej układu nerwowego - komórki nerwowej, neuronu.

Budowa i funkcje neuronu. Już w ubiegłym wieku Ramon y Cajal odkrył, że każda komórka nerwowa ma ciało (soma) i procesy, które zgodnie z cechami strukturalnymi i funkcją dzielą się na dendryty i aksony. Neuron zawsze ma tylko jeden akson, ale dendrytów może być wiele. W 1907 roku Sherrington opisał sposoby wzajemnego oddziaływania neuronów i wprowadził koncepcję synapsy. Po tym, jak Ramon y Cajal wykazał, że dendryty odbierają pobudzenie, a akson wysyła impulsy, zrodził się pomysł, że główną funkcją neuronu jest percepcja. przetwarzanie i przesyłanie informacji do innej komórki nerwowej lub do działającego narządu (mięsień, gruczoł).

Struktura i wielkość neuronów są bardzo zróżnicowane. Ich średnica może wynosić od 4 mikronów (komórki ziarniste móżdżku) do 130 mikronów (komórki piramidalne olbrzymie Betza). Kształt neuronów jest również zróżnicowany.

Komórki nerwowe mają bardzo duże jądra, które są funkcjonalnie i strukturalnie połączone z błoną komórkową. Niektóre neurony są wielojądrowe, na przykład komórki neurosekrecyjne podwzgórza lub podczas regeneracji neuronów. We wczesnym okresie poporodowym neurony mogą się dzielić.

W cytoplazmie neuronu tzw Substancja Nissla to granulka retikulum endoplazmatycznego bogata w rybosomy. Jest go mnóstwo wokół rdzenia. Pod błoną komórkową siateczka śródplazmatyczna tworzy cysterny odpowiedzialne za utrzymanie stężenia K+ pod błoną. Rybosomy to kolosalne fabryki białek. Całe białko komórki nerwowej odnawia się w ciągu 3 dni, a nawet szybciej, gdy wzrasta funkcja neuronu. Siateczkę ziarnistą reprezentuje aparat Golgiego, który wydaje się otaczać całą komórkę nerwową od wewnątrz. Zawiera lizosomy zawierające różne enzymy i pęcherzyki z granulkami mediatora. Aparat Golgiego bierze czynny udział w tworzeniu pęcherzyków z mediatorem.

Zarówno w ciele komórki, jak i w procesach znajduje się wiele mitochondriów, stacji energetycznych komórki. Są to ruchome organelle, które dzięki aktomiozynie mogą przemieszczać się tam, gdzie w komórce potrzebna jest energia do jej działania.

PRAWA DZIAŁANIA DC WŁĄCZONE

POBUDZONA TKANKA.

Prawo polarne bieżącego działania. Kiedy nerw lub mięsień jest podrażniony prądem stałym, wzbudzenie następuje w momencie zamknięcia prądu stałego tylko pod katodą, a w momencie otwarcia - tylko pod anodą, a próg szoku zamykającego jest mniejszy niż rozerwanie zaszokować. Pomiary bezpośrednie wykazały, że przepływ prądu elektrycznego przez włókno nerwowe lub mięśniowe powoduje przede wszystkim zmianę potencjału błony pod elektrodami. W obszarze zastosowania na powierzchnię tkanki anodowej (+) wzrasta dodatni potencjał na zewnętrznej powierzchni membrany, tj. W tym obszarze następuje hiperpolaryzacja błony, która nie przyczynia się do wzbudzenia, ale wręcz przeciwnie, zapobiega mu. W tym samym miejscu, gdzie katoda (-) jest przymocowana do membrany, dodatni potencjał powierzchni zewnętrznej maleje, następuje depolaryzacja, a jeśli osiągnie wartość krytyczną, w tym miejscu pojawia się AP.

Zmiany MF zachodzą nie tylko bezpośrednio w punktach przyłożenia katody i anody do włókna nerwowego, ale także w pewnej odległości od nich, przy czym wielkość tych przesunięć maleje wraz z odległością od elektrod. Zmiany MP pod elektrodami nazywane są elektrotoniczny(odpowiednio kot-elektroton i an-elektroton), a za elektrodami - perielektrotoniczny(kot i an-perieelektroton).

Wzrost przepuszczalności błony dla Na po stymulacji progowej nie osiąga od razu wartości maksymalnej. W pierwszej chwili depolaryzacja membrany pod katodą prowadzi do nieznacznego wzrostu przepuszczalności sodu i otwarcia niewielkiej liczby kanałów. Kiedy pod wpływem tego dodatnio naładowane jony Na+ zaczynają przedostawać się do protoplazmy, wzrasta depolaryzacja błony. Prowadzi to do otwarcia innych kanałów Na, a w konsekwencji do dalszej depolaryzacji, co z kolei powoduje jeszcze większy wzrost przepuszczalności sodu. Ten proces okrężny, oparty na tzw. dodatnie sprzężenie zwrotne, zwane depolaryzacją regeneracyjną. Zachodzi to dopiero wtedy, gdy Eo spadnie do poziomu krytycznego (Ek). Przyczyna wzrostu przepuszczalności sodu podczas depolaryzacji jest prawdopodobnie związana z usunięciem Ca++ z bramki sodowej, gdy po zewnętrznej stronie membrany występuje elektroujemność (lub elektropozytywność maleje).

Zwiększona przepuszczalność sodu zatrzymuje się po dziesiątych milisekundy z powodu mechanizmów inaktywacji sodu.

Szybkość depolaryzacji błony zależy od siły prądu drażniącego. Przy słabej sile depolaryzacja rozwija się powoli, dlatego aby wystąpił AP, taki bodziec musi trwać długo.

Podsumowując powyższe, możemy przedstawić łańcuch zdarzeń rozwijający się we włóknie nerwowym lub mięśniowym pod katodą prądu drażniącego w następujący sposób: bierna depolaryzacja błony ---- zwiększona przepuszczalność sodu --- zwiększony napływ Na do włókna --- aktywna depolaryzacja błony -- reakcja lokalna --- nadmiar Ec --- depolaryzacja regeneracyjna --- potencjał czynnościowy ( AP).

Zależność progowej siły bodźca od czasu jego trwania. Jak już wskazano, siła progowa dowolnego bodźca, w pewnych granicach, jest odwrotnie proporcjonalna do czasu jego trwania. Zależność ta objawia się szczególnie wyraźnie, gdy jako bodziec stosuje się prostokątne udary prądu stałego. Krzywą uzyskaną w takich eksperymentach nazwano „krzywą siła-czas”. Badali go Goorweg, Weiss i Lapik na początku stulecia. Z badania tej krzywej wynika przede wszystkim, że prąd poniżej pewnej minimalnej wartości lub napięcia nie powoduje wzbudzenia, niezależnie od tego, jak długo trwa. Minimalna siła prądu, która może spowodować wzbudzenie, Lapik nazywa reobazą. Najkrótszy czas, w którym musi zadziałać bodziec drażniący, nazywa się czasem użytecznym. Zwiększenie prądu powoduje skrócenie minimalnego czasu stymulacji, ale nie w nieskończoność. Przy bardzo krótkich bodźcach krzywa siła-czas staje się równoległa do osi współrzędnych. Oznacza to, że przy tak krótkotrwałych podrażnieniach nie dochodzi do pobudzenia, niezależnie od siły podrażnienia.

Zależność progu od stromości narastania siły bodźca. Wartość progowa podrażnienia nerwu lub mięśnia zależy nie tylko od czasu trwania bodźca, ale także od stromości wzrostu jego siły. Próg podrażnienia ma najmniejszą wartość dla prostokątnych impulsów prądowych, charakteryzujących się najszybszym możliwym wzrostem prądu. Jeśli zamiast takich bodźców zastosuje się bodźce narastające liniowo lub wykładniczo, progi okażą się zwiększone, a im wolniej prąd narasta, tym większy. Gdy nachylenie wzrostu prądu spadnie poniżej pewnej wartości minimalnej (tzw. nachylenie krytyczne), wyładowania niezupełne w ogóle nie wystąpią, niezależnie od tego, do jakiej końcowej siły wzrośnie prąd.

Zjawisko adaptacji tkanki pobudliwej do wolno narastającego bodźca nazywa się akomodacją. Im wyższy stopień akomodacji, tym bardziej stromo musi narastać bodziec, aby nie utracić działania drażniącego. Przystosowanie się do wolno narastającego prądu wynika z faktu, że podczas działania tego prądu w membranie mają czas na rozwój procesów zapobiegających wystąpieniu AP.

W laboratorium wskaźnikiem szybkości akomodacji jest najmniejsze nachylenie wzrostu prądu, przy którym bodziec nadal zachowuje zdolność wywoływania AP. To minimalne nachylenie nazywa się nachylenie krytyczne. Wyraża się go w jednostkach bezwzględnych (mA/s) lub względnych (jako stosunek progowej siły tego stopniowo rosnącego prądu, który wciąż może powodować wzbudzenie, do reobazy prostokątnego impulsu prądowego).

Prawo „wszystko albo nic”. Badając zależność efektów stymulacji od siły zastosowanego bodźca, tzw prawo „wszystko albo nic”. Zgodnie z tym prawem pod bodźcami progowymi nie powodują one pobudzenia („nic”), natomiast pod bodźcami progowymi pobudzenie natychmiast osiąga wartość maksymalną („wszystko”) i nie zwiększa się już wraz z dalszym nasilaniem bodźca.

Pojęcie pobudliwości. Zmiany pobudliwości pod wpływem podniecenia.

Polaryzacja statyczna– obecność stałej różnicy potencjałów pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnią błony komórkowej. W spoczynku zewnętrzna powierzchnia ogniwa jest zawsze elektrododatnia w stosunku do wewnętrznej, tj. spolaryzowany. Ta różnica potencjałów, równa ~60 mV, nazywa się potencjał spoczynkowy lub potencjał błonowy (MP). W tworzeniu potencjału biorą udział cztery rodzaje jonów:

kationy sodu (ładunek dodatni),
kationy potasu (ładunek dodatni),
aniony chloru (ładunek ujemny),
aniony związków organicznych (ładunek ujemny).

W płyn pozakomórkowy wysokie stężenie jonów sodu i chloru, w płyn wewnątrzkomórkowy– jony potasu i związki organiczne. W stanie względnego spoczynku fizjologicznego błona komórkowa jest dobrze przepuszczalna dla kationów potasu, nieco mniej przepuszczalna dla anionów chloru, praktycznie nieprzepuszczalna dla kationów sodu i całkowicie nieprzepuszczalna dla anionów związków organicznych.

W spoczynku jony potasu, bez wydatku energetycznego, przemieszczają się do obszaru o niższym stężeniu (na zewnętrzną powierzchnię błony komórkowej), niosąc ze sobą ładunek dodatni. Jony chloru wnikają do wnętrza ogniwa, przenosząc ładunek ujemny. Jony sodu w dalszym ciągu pozostają na zewnętrznej powierzchni membrany, jeszcze bardziej zwiększając ładunek dodatni.

Depolaryzacja– przesunięcie MP w kierunku jego zmniejszania. Pod wpływem podrażnienia otwierają się „szybkie” kanały sodowe, w wyniku czego jony Na przedostają się do komórki niczym lawina. Przejście dodatnio naładowanych jonów do wnętrza komórki powoduje zmniejszenie ładunku dodatniego na jego zewnętrznej powierzchni i zwiększenie go w cytoplazmie. W wyniku tego zmniejsza się różnica potencjałów transbłonowych, wartość MP spada do 0, a następnie w miarę dalszego przedostawania się Na do komórki błona jest ładowana, a jej ładunek ulega odwróceniu (powierzchnia staje się elektroujemna w stosunku do cytoplazmy ) - pojawia się potencjał czynnościowy (AP). Elektrograficznym objawem depolaryzacji jest skok lub potencjał szczytowy.

Podczas depolaryzacji, gdy ładunek dodatni niesiony przez jony Na osiągnie określoną wartość progową, w czujniku napięcia kanałów jonowych pojawia się prąd polaryzacji, który „zatrzaskuje” bramkę i „blokuje” (dezaktywuje) kanał, uniemożliwiając w ten sposób dalsze wejście Na do cytoplazmy. Kanał jest „zamknięty” (nieaktywny) do czasu przywrócenia początkowego poziomu MP.

Repolaryzacja– przywrócenie początkowego poziomu MP. W tym przypadku jony sodu przestają wnikać do wnętrza komórki, zwiększa się przepuszczalność błony dla potasu, który szybko go opuszcza. W rezultacie ładunek błony komórkowej zbliża się do pierwotnego. Elektrograficznym przejawem repolaryzacji jest ujemny potencjał śladowy.

Hiperpolaryzacja– wzrost poziomu MP. Po przywróceniu początkowej wartości MP (repolaryzacji) następuje krótkotrwały wzrost w porównaniu do poziomu spoczynkowego, na skutek wzrostu przepuszczalności kanałów potasowych i kanałów Cl. Pod tym względem powierzchnia membrany uzyskuje nadmierny ładunek dodatni w porównaniu z normą, a poziom MP staje się nieco wyższy niż pierwotny. Elektrograficznym objawem hiperpolaryzacji jest dodatni potencjał śladowy. To kończy pojedynczy cykl wzbudzenia.