Сигнал по мембране нейрона передается в виде коротких элект-рических импульсов – потенциалов действия (ПД). Этот процесс можно сравнить с передачей информации с помощью включения и выключения фонарика (ПД = «вспышка света»).
Но для того, чтобы фонарик работал, нужна батарейка – источник электрической энергии. В случае нейрона таким источником является постоянный внутриклеточный заряд – потенциал покоя (ПП).
Нервные клетки ограничены липопротеиновой мембраной, являющейся электрическим изолятором. Между содержимым клетки и внеклеточной жидкостью существует разность потенциалов, так называемый мембранный потенциал.
В клетке как в единой системе все части - цитоплазма, ядро, органоиды - должны удерживаться вместе. Для этого в процессе эволюции развилась клеточная мембрана, которая, окружая каждую клетку, отделяет ее от внешней среды. Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки - цитоплазму и ядро - от повреждений, поддерживает постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещества и выводит из клетки продукты обмена. Строение мембраны у всех клеток одинаково. Ее толщина составляет приблизительно 8 нм (1 нм =10Ý(-9)м).
Основу мембраны составляет двойной слой молекул липидов, в котором расположены многочисленные молекулы белков. Одни белки находятся на поверхности липидного слоя, другие пронизывают оба слоя липидов насквозь. Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из нее могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие небольшой диаметр. Однако более крупные частицы через мембранные каналы пройти не могут.
В состоянии покоя наружная поверхность клетки всегда электроположительна по отношению к внутренней, т.е. поляризована. Эта разность потенциалов, называется потенциалом покоя, или мембранным потенциалом (МП). В образовании потенциала принимают участие 4 вида ионов: катионы натрия (положительный заряд), катионы калия (положительный заряд), анионы хлора (отрицательный заряд), анионы органических соединений (отрицательный заряд). Во внеклеточной жидкости высока концентрация ионов натрия и хлора, во внутриклеточной жидкости – ионов калия и органических соединений. В состоянии относительного физиологического покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для катионов калия, чуть хуже для анионов хлора, практически непроницаема для катионов натрия и совершенно непроницаема для анионов органических соединений.
В покое ионы калия без затрат энергии выходят в область меньшей концентрации (на наружную поверхность клеточной мембраны), неся с собой положительный заряд. Ионы хлора проникают внутрь клетки, неся отрицательный заряд. Ионы натрия продолжают оставаться на наружной поверхности мембраны, еще больше усиливая положительный заряд.
Электрические процессы в клетках обусловлены неравномерным распределением ионов по обе стороны клеточной мембраны.
ВведениеНервная система
регулирует деятельность
организма благодаря
проведению информации
(возбуждения) по сети
нервных клеток.
Цель нейрофизиологии –
это понять биологические
механизмы, которые лежат
в основе проведения
информации по нервной
системе.
Нейроны проводят информацию на большие
расстояния с помощью электрических сигналов,
которые распространяются по аксону.
Используется специальный тип электрических
сигналов – нервный импульс или потенциал
действия.
Потенциал действия является основным
носителем информации в нервной системе
Мембранный потенциал покоя нейрона
Процесс генерации и распространения ПДпроисходит на мембране нейрона.
Клетки, которые способны генерировать и проводить
нервный импульс, имеют возбудимую мембрану.
Мембранный потенциал покоя нейрона
Если на нейрон не действует раздражитель, то оннаходится в состоянии покоя.
В состоянии покоя внешняя сторона мембраны
нейрона заряжена положительно, а внутренняя –
отрицательно. Это состояние называется
мембранным потенциалом покоя.
Мембранный потенциал покоя (МПП) – это
разность потенциалов на мембране нейрона, которую
нейрон имеет в состоянии относительного
физиологического покоя.
Мембранный потенциал покоя нейрона
Потенциал действия – это кратковременноеизменение мембранного потенциала, при котором
внешняя сторона мембраны на одну тысячную
секунду становится отрицательной, а внутренняя –
положительной.
Мембранный потенциал покоя нейрона
1.2.
3.
Чтобы понять, как нейрон передает информацию,
необходимо изучить:
каким образом в состоянии покоя на мембране
нейрона возникает и поддерживается мембранный
потенциал покоя;
каким образом мембранный потенциал
кратковременно изменяется во время генерации
нервного импульса;
каким образом нервный импульс распространяется
вдоль мембраны нейрона.
Мембранный потенциал покоя нейрона
Механизм возникновения МППДвижение ионов
МПП возникает в результате движения ионов
(заряженных частиц) через ионные каналы
мембраны клетки.
Ионы – это атомы или молекулы, которые имеют
положительный (катионы) или отрицательный
(анионы) заряд.
Например, K+, Na+, Cl¯, Ca2+ и т.д.
Механизм возникновения МПП
Движение ионов черезионные каналы связано с
действием двух факторов:
1. диффузия
2. электрическая сила
Диффузия – это движение
ионов из мест c высокой
концентрацией в места с
низкой концентрацией.
Механизм возникновения МПП
ТерминыГрадиент концентрации – это разность
концентрации ионов.
Сила концентрационного градиента – это сила
химической природы, которая перемещает ионы из
мест с высокой концентрацией в места с низкой
концентрацией данного иона.
Правило: чем больше градиент концентрации, тем
больше сила концентрационного градиента.
10. Механизм возникновения МПП
Электрическая сила (I) – этосила, которая перемещает
ионы в электрическом поле.
Электрическая сила
перемещает отрицательные
ионы (анионы) к
положительному заряду
(аноду), а положительные ионы
(катионы) – к отрицательному
заряду (катоду).
11. Механизм возникновения МПП
Движение электрических зарядов в электрическомполе называется электрическим током.
Сила электрического тока определяется двумя
факторами:
1. электрическим потенциалом
2. электрической проводимостью
12. Механизм возникновения МПП
Электрический потенциал (V) – этосила, которая отражает различия в
заряде между катодом и анодом.
Чем больше различия в заряде, тем
больше электрический потенциал, тем
сильнее ток ионов.
Электрический потенциал измеряется
в Вольтах (V).
Электрическая проводимость – это
относительная способность
электрических зарядов двигаться в
электрическом поле.
Чем выше электрическая
проводимость, тем сильнее ток ионов.
13. Механизм возникновения МПП
Электрическое сопротивление (R) – сила,препятствующая движению электрических зарядов.
Электрическое сопротивление измеряется в Омах
(Ω) .
Соотношение между электрическим потенциалом,
сопротивлением и силой тока описывается законом
Ома.
I = V/R
Сила тока равна нулю в двух случаях:
1. либо электрический потенциал равен нулю,
2. либо существует очень большое сопротивление.
14. Механизм возникновения МПП
Движение специфических ионовчерез мембрану под действием
электрической силы может быть
только при одновременном
соблюдении двух условий:
1. мембрана содержит каналы, которые
проницаемы для данного вида ионов;
2. существует разность потенциалов по
обе стороны мембраны.
15. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Мембранный потенциал(МП) – это разность
потенциалов на мембране
нейрона, которую нейрон
имеет в данный момент
времени (Vm).
Мембранный потенциал
нейрона может быть
измерен с помощью
микроэлектрода,
помещенного в цитоплазму
нейрона и подсоединенного
к вольтметру.
16. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
В состоянии покоя внутренняя сторона мембранызаряжена отрицательно, а внешняя сторона –
положительно.
Мембранный потенциал покоя (МПП) типичного
нейрона примерно равен - 65 mV.
Vm = -65 mV
Чтобы понять, каким образом возникает и
поддерживается МПП, необходимо рассмотреть
распределение некоторых ионов внутри нейрона и
окружающей его внешней среде.
17. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Равновесный потенциалРассмотрим гипотетическую клетку при
следующих условиях:
1. внутри клетки концентрация катионов K+ и
анионов А¯ выше, чем во внешней среде,
2. мембрана клетки не содержит ионных
каналов.
В этих условиях, несмотря на наличие
разности концентраций ионов,
1. не будет наблюдаться ток ионов через
мембрану;
2. мембранный потенциал будет равен
нулю.
18. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Ситуация изменится, если в мембране появятсяионные каналы, проницаемые для ионов K+, но
не проницаемые для анионов А¯.
Ионы K+ по градиенту концентрации начнут
перемещаться из клетки во внеклеточную среду.
За счет отрицательных ионов А¯ на внутренней
стороне мембраны начинает скапливаться
отрицательный заряд, а на внешней стороне
мембраны начинает появляться положительный
заряд.
Таким образом, на мембране нейрона начинает
появляться разность потенциалов.
19. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
По мере увеличения разности потенциаловначинает возрастать электрическая сила,
которая толкает ионы K+ обратно в клетку (так
как положительно заряженные ионы K+
притягиваются к отрицательно зараженному
слою на внутренней стороне мембраны).
Когда на мембране достигается определенное
значение мембранного потенциала
электрическая сила, стремящаяся загнать
ионы K+ внутрь клетки, становится равной
химической силе градиента концентрации,
которая стремится вытолкнуть ионы K+ из
клетки.
Возникает состояние равновесия, при
котором сила электрической природы и сила
химической природы имеют одинаковое
значение, но направлены в разные стороны, а
движение ионов K+ приостанавливается.
20. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Ионный равновесный потенциал – это разностьпотенциалов на мембране, при которой сила химической и
электрической природы уравновешивают друг друга по
отношению к данному иону.
Например, калиевый равновесный потенциал равен
примерно – 80 mV.
Вывод: появление мембранного потенциала в нейроне
происходит автоматически при соблюдении двух условий:
1. существует разница концентраций ионов между внешней и
внутренней средой нейрона;
2. существует избирательная проницаемость мембраны
нейрона для данного иона.
21. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
22. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Разница концентраций различных ионов вреальном нейроне
В реальном нейроне разные ионы по разному
распределены во внутриклеточной и внеклеточной
среде.
Ионы
Внеклеточная
концентрация
Внутриклеточная
концентрация
Отношение
Равновесный
потенциал
K+
5
100
1:20
-80 mV
Na+
150
15
10:1
62 mV
Ca2+
2
0,0002
10000:1
123 mV
Cl¯
150
13
11,5:1
-65 mV
23. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Каждый ион имеет свой собственныйравновесный потенциал.
Правило – концентрация ионов K+ больше
внутри клетки, а ионов Na+ и Cl¯ во
внешней среде.
Разница концентраций различных ионов
возникает в результате работы нескольких
ионных насосов, которые встроены в
мембрану нейрона.
24. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Два ионных насоса особенно важныдля понимания работы нейрона:
1. натрий-калиевый
2. кальциевый насос
Натрий-калиевый насос,
используя энергию АТФ, выкачивает
из клетки ионы Na+ и закачивает в
клетку ионы K+ против градиента
концентрации этих ионов.
За один цикл насос выкачивает
3
иона Na+ и 2 иона K+.
На работу этого насоса тратится
больше 70% всей АТФ,
находящейся в мозге.
25. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Кальциевый насос выкачивает из нейрона ионы Ca2+против градиента его концентрации.
1.
2.
Кроме того существуют дополнительные механизмы,
которые обеспечивают уменьшение концентрации ионов
Ca2+ в цитоплазме нейрона (0,00002 mM):
внутриклеточные белки, которые связывают данные
ионы;
клеточные органеллы (в частности, митохондрии и
эндоплазматический ретикулум), которые депонируют
(изолируют) ионы Ca2+.
26. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Значение ионных насосовБез ионных насосов в нейроне не смогла бы
поддерживаться разность концентрации
различных ионов, а, следовательно, в
нейроне не мог бы существовать
мембранный потенциал покоя, без которого, в
свою очередь, нейрон бы не смог отвечать на
внешнее воздействие и передавать
возбуждение.
27. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Относительная проницаемость мембраны для разных ионовВ реальном нейроне мембрана нейрона проницаема не для одного, а
для разных ионов.
Однако проницаемость мембраны для разных ионов разная.
Рассмотрим несколько сценариев для ионов Na+ и K+:
1. Если мембрана проницаема только для иона K+, то мембранный
потенциал будет равен калиевому равновесному потенциалу
(примерно -80 mV).
2. Если мембрана проницаема только для иона Na+, то мембранный
потенциал будет равен натриевому равновесному потенциалу
(примерно 62 mV).
3. Если мембрана имеет одинаковую проницаемость для ионов Na+ и K+, то
мембранный потенциал будет равен среднему значению между
натриевым и калиевым равновесным потенциалом (примерно - 9 mV).
28. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
4. Если проницаемость мембраны в 40 раз больше для ионов K+, чемдля ионов Na+, то значение итогового мембранного потенциала
опять будет между натриевым и калиевым равновесным
потенциалом, но при этом ближе к калиевому равновесному
потенциалу.
Последний сценарий наиболее близок к ситуации в реальном
нейроне, в котором мембранный потенциал покоя равен -65 mV.
В реальном нейроне в состоянии покоя мембрана имеет высокую
проницаемость для ионов K+ и относительно низкую для ионов Na+.
29. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Вывод: высокая проницаемость мембранынейрона для ионов K+ является основным
источником мембранного потенциала
покоя (МПП), при этом относительная низкая
проницаемость мембраны для других ионов
(особенно ионов Na+) также вносит
определенный вклад в итоговое значение
МПП нейрона.
30. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Регуляция концентрации ионов K+ во внеклеточнойсреде
Мембранный потенциал очень чувствителен к
изменению концентрации ионов K+ во внеклеточной
среде. Например, если концентрация ионов K+ во
внешней среде уменьшится в 10 раз, то мембранный
потенциал покоя изменится от -65 до -17 mV.
Чувствительность мембранного потенциала к
концентрации ионов K+ привела в эволюции к
появлению механизмов, которые тонко регулируют
содержание этих ионов во внеклеточной среде:
1. гематоэнцефалический барьер
2. глиальные клетки (астроциты)
31. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) – этомеханизм, обеспечивающий ограниченный доступ
веществ, которые поступают через стенки капилляров,
к нейронам и глиальным клеткам внутри мозга.
Одна из функций ГЭБа – ограничение поступления из
крови ионов K+ во внеклеточную среду, окружающую
нейроны.
32. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Астроциты обеспечиваютрегуляцию концентрации
ионов K+ с помощью
калиевых насосов и
калиевых ионных каналов,
встроенных в их мембрану.
Когда внеклеточная
концентрация ионов K+
возрастает, эти ионы начинают
заходить внутрь астроцитов
через калиевые ионные
каналы.
33. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
Вход ионов K+ в цитоплазмуастроцита приводит к повышению
локальной внутриклеточной
концентрации этих ионов,
которые начинают
распространяться по системе
разветвленных отростков в
другие части глиальной клетки.
Таким образом, астроциты
обладают глиальным
буферным механизмом,
который поддерживает
концентрацию ионов K+ во
внеклеточной среде на
постоянном уровне.
34. Ионный механизм мембранного потенциала покоя
ЗаключениеМеханизм возникновения МПП
1. Активность натрий-калиевого насоса обеспечивает и
поддерживает высокую концентрацию ионов K+ во
внутриклеточной среде нейрона.
2. Мембрана нейрона в состоянии покоя обладает высокой
проницаемостью для ионов K+, так как имеет многочисленные
калиевые каналы.
3. Движение ионов K+ через мембрану нейрона по градиенту их
концентрации приводит к появлению отрицательного заряда на
внутренней стороне мембраны и положительного заряда на
внешней стороне мембраны.
4. Разница потенциалов на мембране нейрона может
рассматриваться как заряд электрической батарейки, который
постоянно поддерживается за счет ионных насосов,
работающих на основе энергии АТФ.
1.1. Строение нейрона
По современным представлениям нервная клетка (нейрон) представляет собой основной функциональный элемент нервной системы, перерабатывающий поступающую к нему информацию и передающий результат переработки другим нейронам.
1.1.1. Сома, дендриты, аксон
Нейрон состоит из тела клетки - сомы, множества ветвящихся отростков - дендритов, по которым поступают сигналы, и обычно одного выходного волокна - аксона. Внутриклеточная среда отграничена от внеклеточной тонкой оболочкой - мембраной.
На мембране сомы и дендритов расположены синапсы - окончания аксонов других нейронов. Сома нейрона состоит из ядра, содержащего генетический аппарат, и цитоплазмы, в которой осуществляется синтез белков. В теле нейрона, в дендритах и аксонах имеются мнкротрубочки диаметром около 200 А, которые предположительно служат для транспорта синтезируемых в теле нейрона белков.
Переход сомы нейрона в аксон называется аксонным холмиком и характеризуется высокой возбудимостью. Аксоны некоторых нейронов нервной системы покрыты оболочками, состоящими из шванновских клеток или клеток глии. Промежутки между ними - перехваты Ранвье (рис. 1.1).
Разные типы нервных клеток характеризуются разной геометрической структурой дендритов. Встречаются дендриты довольно длинные, простирающиеся от сомы на расстояние в 30-40 диаметров сомы, маловетвящиеся. Другие дендриты - на расстояние порядка диаметра сомы и имеют большое количество узлов ветвления.
1.1.2. Структура мембраны нейрона
Мембрана толщиной 70-80 А, отделяющая цитоплазму нейрона от внешней среды, состоит из слоя фосфолипидных молекул, имеющего с внешней и с внутренней сторон слои белковых молекул. Центральный фосфолипидный слой обладает симметричной структурой, в которой жирные кислоты липидов обращены внутрь мембраны.
Поперечник мембраны пронизывают каналы, по которым могут перемещаться определенные ионы. В мембрану встроены рецептивные белки, управляющие состоянием ионных каналов (рис. 1.2). В модели мембраны совокупность каналов представлена сопротивлением, а совокупность диэлектрических участков - параллельно включенной емкостью.
Мембрана, окружающая нервную клетку (сому, дендриты и аксон), бывает двух типов: пассивная и активная.
Пассивная мембрана способна проводить электрическое возбуждение лишь электротонически (с затуханием), как кабель. Активная мембрана способна формировать и проводить незатухающий с расстоянием импульс. Эти два типа мембран могут перемежаться.
Установлено, что в активной мембране существуют особые участки - каналы, которые могут быть в открытом или закрытом состоянии. Обычно каналы бывают двух типов: проводящие ионы натрия, проводящие ионы калия.
Каналы каждого из этих типов проводят только ионы одного вида (либо только калия, либо только натрия). Управление (открытие, закрытие) каналов осуществляют многовалентные катионы, в основном кальция. В невозбужденной мембране катионы кальция находятся в связанном состоянии с молекулами, образующими каналы, закрывая каналы. Смещение полярных участков некоторых молекул мембраны открывает каналы для ионов натрия и калия, что приводит к возбуждению мембраны и генерации распространяющегося потенциала действия.
1.1.3. Синапсы, типы синапсов
Синапсы - участки взаимодействия аксонных термина- леи с мембраной нейрона - бывают двух типов: возбуждающие и тормозные. Возбуждающие увеличивают деполяризацию мембраны, тормозные - гиперполяризацию мембраны.
По принципу своего влияния на мембрану синапсы подразделяются на химические и электрические. Кроме того, различают аксо-аксональные, аксосоматические, аксодендритические, дендродендритические и соматосоматические синапсы (рис. 1.3).
Хотя плотность распределения синапсов на соме и дендритах в среднем одинакова, однако более высокая плотность распределения синапсов имеет место в узлах ветвления и в области локальных расширений дендритов.
Поэтому узлы ветвления дендритов имеют особое значение при функционировании нейрона.
На соме нервных клеток в большинстве случаев синапсы мелкие, их линейные размеры не превышают 0,2- 0,4 мкм (для нервной системы млекопитающих), в то время как на дендритах значительная часть синапсов имеет протяженность около 1 мкм.
На дендритах бывают синаптические контакты специального вида, так называемые «шипиковые» синапсы, располагающиеся на грибообразных отростках. Шипик состоит из тонкой ножки, окончание которой утолщено в 3-5 раз, образуя головку шипика. На головке размещается один или несколько обычных синаптических контактов. В некоторых отделах мозга на шипиках расположено подавляющее большинство синапсов.
1.2. Процессы на мембране
Мембрана содержит пассивные и активные участки. Пассивная мембрана обладает способностью проводить отклонения потенциала в какой-либо точке от равновесного значения к другим точкам с затуханием, пропорциональным расстоянию. В активной мембране распространяется волна регенерирующего, возбуждения за счет вольт-зависимого изменения проводимости ионных каналов.
В спокойном состоянии мембраны среда внутри клетки имеет некоторый «потенциал покоя» (примерно 70 мВ) относительно внешней среды. Эта разность потенциалов определяется разной концентрацией ионов ряда элементов, главным образом ионов натрия и калия. В покое концентрация ионов калия на порядок ниже, чем с внутренней стороны (внутри нервной клетки или волокна).
Внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно по отношению к ее наружной поверхности. Наблюдаемая разность концентраций ионов и потенциалов по обе стороны мембраны обусловлена процессами клеточного обмена - неким гипотетическим «метаболическим насосом», выкачивающим часть ионов натрия наружу и накачивающим часть ионов калия внутрь клетки.
Внутриклеточный потенциал может повышаться (деполяризация) или еще более понижаться (гиперполяризация).
Изменение потенциала в сторону деполяризации называют также возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП), а в сторону гиперполяризации - тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП). Соответственно все факторы, включая действие синапсов, называют возбуждающими или тормозными в зависимости от того, повышают или понижают они потенциал с внутренней стороны мембраны.
Возбуждающее воздействие, вызывающее повышение внутриклеточного потенциала (деполяризацию), не приведет к активному возбуждению мембраны, если не достигнут уровень возбуждения, т. е. изменение потенциала было меньше порогового. При этом порог по потенциалу зависит от формы возбуждающего импульса: чем положе восходящий фронт импульса, тем выше порог. Подпороговые изменения потенциала сопровождаются трансмембранным током, образованным емкостным током и током утечки.
При подпороговых процессах проницаемость мембраны для ионов существенно не меняется, поэтому и процессы относят к пассивным.
Активный процесс начинается с того момента, когда внутриклеточный потенциал превысил уровень порогового возбуждения. С этого момента резко увеличивается проницаемость мембраны для ионов натрия. Проходя снаружи через мембрану внутрь клетки (волокна), ионы натрия еще больше повышают внутренний потенциал, повышение потенциала увеличивает проницаемость для ионов натрия. Процесс нарастает лавинообразно до тех пор, пока разность потенциалов между внутренней и внешней средами не достигнет противоположного знака, затем ток натрия убывает. Зато постепенно увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия. Калиевый ток течет навстречу натриевому. Он также достигает максимума и затем спадает. За счет тока натрия этот потенциал достигает своего максимума, а ток калия вновь сводит потенциал мембраны к значению, свойственному потенциалу покоя.
1.2.1. Активный транспорт ионов через мембрану
По современным представлениям в нейроне исходно существуют различные концентрации ионов калия внутри и снаружи клетки. Потенциал равновесия «запирает» выход ионов калия из клетки. Однако отрицательный потенциал создает условия движения в клетку ионов натрия из внешней среды, что в свою очередь снижает уровень отрицательного мембранного потенциала, облегчая выход калия под влиянием разницы концентраций. Постепенно концентрации ионов калия и натрия внутри и снаружи будут выравниваться. Для того чтобы поддержать эту разницу концентраций, должен существовать механизм вывода ионов натрия из клетки и переноса ионов калия в клетку.
Этот механизм называют натрий-калиевым насосом. Внутриклеточный натрий на внутренней стороне мембраны соединяется с веществом - носителем В. Комплекс NaB электронейтрален и благодаря диффузии выходит наружу, где расщепляется. Освободившийся носитель В под влиянием энзима переходит в форму С и присоединяет ион калия К+. Комплекс КС диффундирует внутрь клетки и отдает ион калия. Переносчик С при участии АТФ переходит в форму В с использованием внутренней энергии клетки (рис. 1.4), и цикл повторяется.
1.2.2. Элекгротонический потенциал.
Фиксация напряжения
При подаче импульса тока через введенный в тело нейрона микроэлектрод можно обнаружить, что потенциал нейрона, регистрируемый вторым микроэлектродом, изменяется. Нейрон деполяризуется при инъекции положительных зарядов д гиперполяризуется при введении отрицательных. Схематически мембрану нейрона можно представить как параллельно подключенные емкость и сопротивление. Емкость образована диэлектриком - фосфолипидами мембраны. Сопротивление создают каналы ионной проводимости. При достижении мембраной потенциала покоя, определяющегося соотношением потенциалов равновесия разных ионов, суммарный ток равен нулю.
При подаче импульса тока сначала он течет через емкость (емкостный ток). Падение напряжения на сопротивлении при этом равно нулю. По мере зарядки конденсатора все большая доля тока течет через сопротивление.
После зарядки конденсатора ток течет через мембрану, создавая на ней падение напряжения (рис. 1.5).
1.2.3. Потенциал действия
Методом фиксации напряжения было показано, что мембрана нейрона имеет быстро инактивирующуюся натриевую проводимость и устойчиво сохраняющуюся калиевую. Если не учитывать влияние емкостей, то нейрон можно представить схемой, состоящей из двух батарей и двух переменных сопротивлений. Одна батарея определяется потенциалом равновесия для калия (-75 мВ). Переменное сопротивление воспроизводит изменение калиевой проводимости. Другая батарея определяется потенциалом равновесия по натрию (+55 мВ) и переменным сопротивлением, воспроизводящим натриевую проводимость. Эти батареи и сопротивления образуют цепь, формирующую потенциал действия. При этом падение напряжения на мембране определяется соотношением проводимостей (рис. 1.6).
1.2.4. Суммация электротонических потенциалов
Электрические свойства мембраны нейрона характеризуются двумя константами: постоянной времени и постоянной длины. Постоянная времени мембраны определяет временную суммацию электротонических потенциалов: при поступлении на один и тот же участок мембраны двух электротонических потенциалов они суммируются на интервале времени, пропорциональном постоянной времени. Постоянная длины мембраны определяет пространственную суммацию электротонических потенциалов: если два электротонических потенциала одновременно поступают на два соседних участка пассивной мембраны, то к собственному потенциалу каждого участка добавляется часть потенциала соседнего участка, пропорциональная расстоянию между участками, деленному на постоянную длины мембраны.
Когда электротонические потенциалы возникают в разных участках мембраны в разные моменты времени, то их суммация определяется как постоянной времени, так и постоянной длины мембраны - имеет место так называемая пространственно-временная суммация.
Клетки с большими ^значениями этих констант более эффективно суммируют сигналы. Суммация позволяет мембранному потенциалу достичь критического значения генерации потенциала действия даже тогда, когда отдельные электротонические потенциалы этого уровня не достигают. Электротонические потенциалы определяются пассивными свойствами мембраны - емкостью и сопротивлением. Однако источником электротонических потенциалов в пассивных участках мембраны могут быть происходящие в прилежащих участках изменения потенциала, вызванные изменением ионной проводимости. Так, потенциал действия, генерируемый вследствие открывания натриевых каналов, создает в прилегающих участках, еще не охваченных процессом открытия натриевых каналов, деполяризационный сдвиг, определяемый константой длины мембраны. Аналогичным образом постоянная времени и постоянная длины вносят свой вклад в суммацию электротонических потенциалов, вызванных другими источниками: постсинаптическими потенциалами и пейсме- керными потенциалами.
1.2.5. Пейсмекерные потенциалы
В ряде нейронов даже после полной изоляции их сомы (ампутации дендритов и аксонов) при внутриклеточной регистрации наблюдаются колебания потенциала амплитудой 10-20 мВ и частотой от 1,0 до 2,5 Гц, получившие название пейсмекерных потенциалов. Эти потенциалы могут быть регулярными или образовывать отдельные веретена, в которых амплитуда потенциалов постепенно возрастает, достигает максимума и падает. Сравнение пейсмекерных потенциалов нейрона до и после изоляции от других нервных клеток указывает на то, что источником колебаний являются эндогенные процессы, поскольку тип активности сохраняется и в полностью изолированном нейроне. Если пейсмекерные потенциалы достигают порога генерации потенциала действия, то они запускают их генерацию.
Таким образом, благодаря наличию пейсмекерных потенциалов нейрон становится активным генератором. Более того, поскольку определенный тип нейрона и при полной изоляции сохраняет свой тип пейсмекерной активности, эта активность является генетически заданной. Вместе с тем пейсмекерный потенциал очень чувствителен к изменениям уровня мембранного потенциала: небольшая деполяризация клетки током до 1 нА достаточна для того, чтобы увеличить частоту и амплитуду пейсмекерных потенциалов, а гиперполяризация в тех же пределах ведет к замедлению пейсмекерных колебаний, их урежению, снижению амплитуды и, наконец, полному подавлению.
Анализируя пейсмекерные потенциалы, можно заметить, что при возрастании их амплитуды деполяризационная волна становится более острой. Это объясняется тем, что к пейсме- керному потенциалу присоединяется локальный потенциал, не достигающий порога развития лавинообразного процесса, связанного с генерацией потенциала действия.
Чувствительность пейсмекерных потенциалов к сдвигам мембранного потенциала делает их легко управляемыми внешними влияниями.
У ряда нейронов можно обнаружить несколько локусов пейсмекерных колебаний с разными свойствами и разным вкладом в механизмы генерации потенциалов действия. Источником пейсмекерных колебаний, по-видимому, являются электрогенные эффекты активного транспорта ионов. Переходы от деполяризации к гиперполяризации, образующие пейсмекерную волну, не сопровождаются изменением сопротивления мембраны. Активный транспорт ионов натрия ограничивается при развитии гиперполяризации. Активный транспорт ионов хлора ограничивается развитием деполяризации. Таким образом, пейсмекерный потенциал имеет зону оптимума, ограниченную сверху определенной деполяризацией, а снизу - определенной гиперполяризацией нейрона.
1.2.6. Электрический синапс
Электрический синапс образован срастанием мембран пре- синаптического и постсинаптического нейронов. Ток, инъецируемый в один нейрон через каналы, связывающие обе мембраны, затекает в постсинаптический нейрон пассивно и регистрируется на его мембране в виде электротонического потенциала.
Если один (прбсинаптический) нейрон генерирует потенциал действия, то у второго (постсинаптического) обнаруживается электротонический потенциал, в искаженной форме воспроизводящий за счет пассивных свойств мембраны потенциал действия пресинаптической мембраны в виде дифазного потенциала. При суммации дифазных потенциалов постсинаптическии нейрон сам генерирует потенциал действия, распространяющийся по аксону.
1.2.7. Квантовый механизм химического синапса
Электрический синапс содержит каналы, непосредственно связывающие пре- и постсинаптическую мембраны и обеспечивающие электротоническую связь между нейронами.
В отличие от электрического в химическом синапсе пре- и постсинаптическая мембраны разделены, и электротонический потенциал не принимает участия в связи нейронов. Связь реализуется посредством химических передатчиков - медиаторов. Медиатор находится в специальных гранулах - везикулах, находящихся в пресинаптической терминали. Под действием прибывшего в пресинаптическую терминаль импульса происходит присоединение везикулы к пресинаптической мембране, и в си- наптическую щель в сторону постсинаптической мембраны выбрасывается порция - квант медиатора. При этом медиатор действует на рецептивный белок постсинаптической мембраны. Этот рецептивный белок управляет каналами ионной проводимости. В зависимости от того, в отношении каких ионов в постсинаптической клетке регистрируется миниатюрный постсинаптическии потенциал (0,5-1 мВ) и как изменяется проводимость, спонтанно выделяются кванты медиатора, образуя в постсинаптичес- ком нейроне последовательность миниатюрных потенциалов постоянной амплитуды со случайными интервалами между ними. Миниатюрные потенциалы исчезают, если будут блокированы рецепторы, специфичные в отношении данного медиатора. В регуляции выделения медиатора принимает участие кальций. При деполяризации кальций входит в пресинаптическую часть синапса и перемещается к участкам, где везикулы присоединяются к участкам пресинаптической мембраны. Кальций облегчает слияние мембраны везикулы с мембраной терминали, в результате чего происходит выделение кванта медиатора.
Поступающий к пресинаптическому окончанию потенциал действия деполяризует термина ли, что приводит к открытию каналов кальциевой проводимости, которая в сильной степени зависит от уровня мембранного потенциала. Поступление кальция приводит к массированному выходу медиатора сразу из большого числа синаптических пузырьков. Суммация нескольких выделившихся в ответ на один потенциал действия квантов медиатора образует элементарный постсинаптический потенциал.
1.2.8. Транссинаптическая индукция энзимов
При действии медиатора на рецептор возникает комплекс, в котором белок обладает специфической конфигурацией. Такой белок может выполнять функцию индуктора: транс- портируясь к ядру клетки и связываясь с репрессором, он включает механизм транскрипции в определенном оперо- не, обеспечивая синтез группы функционально связанных энзимов. Энзимы, поступая к участкам синтеза медиатора, усиливают в качестве катализаторов синтез медиатора в пресинаптической терминали нейрона. Таким образом, реализуется схема медиатор ->- трансформация рецептивного белка ->- включение оперона на молекуле ДНК -*■ ->- транскрипция как синтез и-РНК ->- синтез энзимов -> ->- транспорт энзимов по аксону к пресинаптическому окончанию -* усиление синтеза медиатора в пресинапсе (рис. 1.7). Такой процесс носит название транссинапти- ческой индукции энзимов.
Наиболее подробно транссинаптическая индукция энзимов изучена на адренергических нейронах шейного узла, синтезирующих в термина лях своих аксонов медиатор норадреналин (или иначе, норэпинефрин). Нейроны этого узла, обладая мускориновыми и никотиновыми рецепторами, чувствительны к ацетилхолину. При присоединении ацетилхолина к никотиновым рецепторам через сутки в нейроне увеличивается содержание ферментов, выполняющих функцию катализаторов при синтезе норэпине- фрина. Синтезируемые в теле нейрона энзимы транспортируются по аксону к пресинаптическим окончаниям, где происходит повышенный синтез норэпинефрина. Вызванное действием ацетилхолина на никотиновые рецепторы усиление синтеза энзимов опосредовано процессом транскрипции с участием и-РНК. Это доказывается тем, что антибиотик актиномицин-D, препятствующий
Рис. 1.7. Транс-синаптическая индукция энзимов образованию молекулы и-РНК на матрице ДНК, включает транссинаптическую индукцию энзимов, катализирующих синтез норэпинефрина. Следует подчеркнуть, что индукция энзимов, ответственных за синтез норэпинефрина, происходит только в том случае, если ацетилхолин действует на никотиновые рецепторы. Если эти рецепторы блокировать, то индукции ответственных за синтез норэпинефрина энзимов не происходит.
Таким образом, аналогичный ферментативной адаптации механизм включен в регуляцию эффективности работы нейрона в звене синтеза медиатора.
1.3. Нейронные сети
Различают два крайних типа нейронных сетей: нелокальные нейронные сети и локальные. В нелокальных сетях нейрон выступает как структурная единица переработки информации. Локальные цепи принципиально отличаются от нелокальных тем, что в них единицей обработки информации является не весь нейрон, а отдельный участок его сомы, дендрита или аксона . Локальной называется цепь, образованная локальными участками одного или нескольких соседних нейронов, так что изменения в каждом из участков не затрагивают весь нейрон как целое.
Информационные свойства отдельного нейрона или его части существенно зависят от процессов, происходящих в дендритных и аксонных образованиях, и свойств его мембраны. Мембрана дендритов нейронов многих типов может быть возбудимой, способной проводить активное возбуждение. Морфологические данные говорят о наличии геометрически неоднородных участков в системах ветвлений дендритов и аксонов: расширений, узлов ветвления.
шипиков, касательных контактов . Такие неоднородности участвуют в процессах переработки информации нейроном, являются элементарными звеньями нейрона, преобразующими информацию. Вблизи неоднородностей меняется скорость проведения возбуждения, амплитуда активного и пассивного процессов, форма импульса возбуждения . В зависимости от вида неоднородности выходной сигнал будет представлять собой результат той или иной операции .
Информационные свойства локальных цепей определяются структурно-функциональными особенностями входящих в состав цепи участков нейронов, а также определяются характером латеральных возбуждающих и тормозных взаимодействий между нейронами сети.
1.3.1. Локальные цепи
Можно условно выделить локальные дендритные, локальные аксонные и смешанные локальные цепи. Локальные дендритные цепи - это такие образования, в которых имеются дендро-дендритные контакты как в структуре одного нейрона, так и между дендритами соседних нейронов.
Локальные аксонные цепи образуют аксо-аксональные касательные контакты и анастомозные соединения аксонов разных нейронов. Смешанными локальными цепями назовем структуры из аксонных и дендритных ветвлений, в которых имеются контакты разных типов: дендро-ден- ритные, аксо-аксональные, ак- со-дендритные, дендро-сомати- ческие и т. д. (рис. 1.8). Ден- дриты и аксоны могут иметь структурно-функциональные неоднородности, способствующие расширению набора операций, выполняемых в локальных цепях.
Простейшим случаем локальных цепей являются локальные аксонные цепи с аксо-аксональными синапсами, когда под влиянием импульса, проходящего по аксону одного нейрона, срабатывает одна из аксонных термина- леи другого - невозбужденного нейрона, не влияя на аксонные ветви этого нейрона. Сома нейрона выполняет в этом случае функцию питания ветвей, а информационные процессы в ветвях развиваются независимо.
Более сложные локальные цепи образуются в результате дендро-дендритных контактов разных нейронов.
В этом случае происходит локальная обработка информации во множестве точек локального взаимодействия дендритов. Следует учитывать, что при локальном взаимодействии на близких расстояниях генерация импульса не обязательна. Достаточно, чтобы один синапс оказал влияние в близком соседстве от другого и его эффективность изменилась за счет электротонического эффекта, связанного с входом кальция в рассматриваемый локальный участок мембраны.
Возможность образования отдельными участками мембраны нейрона независимых параллельно работающих локальных цепей означает, что единицей обработки является не нейрон как целое, а его отдельные локусы. В связи с этим функция нелокальных сетей является вторичной по отношению к информации, предварительно обработанной в локальных нейронных цепях. При помощи аксонных систем сигналы нейронной сети передаются затем на значительные расстояния.
1.3.2. Организация нейронных сетей мозга
Под нейронной сетью понимается нелокальная нейронная сеть из нервных клеток, между которыми заданы перекрестные (латеральные) возбуждающие и тормозные взаимодействия, в результате которых нейронные сети оказываются приспособленными для выполнения разнообразных информационных преобразований.
Выделяют несколько типов тормозных латеральных взаимодействий между нейронами сети: непосредственное латеральное торможение соседних нейронов через тормозные коллатерали; коллатеральное торможение через вставочный тормозный нейрон; возвратное торможение, заключающееся в том, что выходной сигнал нейрона возвращается к нему через тормозную коллатераль аксона и приводит к торможению активности нейрона. Возвратное торможение может осуществляться по типу непосредственного или коллатерального торможения. Пресинаптическое заключается во влиянии синаптическпх контактов одного нейрона на синаптические контакты другого, уменьшающем активность этих контактов.
Торможение между нейронами может осуществляться как через химические, так и через электрические синапсы.
Бывает изотропное латеральное торможение, равномерно распределенное между нейронами, и анизотропное латеральное торможение, когда в одном направлении торможение больше или меньше, чем в других.
Рассмотрим организацию нейронных сетей различных отделов мозга.
Новая кора. Основной структурно-функциональной единицей (элементарной нейронной сетью) новой коры служит колонка - вертикально расположенная группа клеток, связанных между собой преимущественно вертикальными связями. Кортикальная колонка нейронов образует модуль обработки информации, выделяющий один определенный признак сигнала. Расположение нейронов в виде множества колонок позволяет выделять несколько переменных в локальном участке топографического коркового представительства. Таким образом, с помощью вертикальных колонок в трехмерную структуру новой коры встраивается аппарат многомерного отображения внешней среды.
Так, форма кожной поверхности тела представлена в виде карты на постцентральной соматосенсорной коре.
Каждый участок кожи представлен группой локальных колонок, каждая из которых содержит нейроны, отвечающие на данную модальность стимула в данном участке кожи. Другим примером колончатой организации коры мозга является представительство вибрисс крысы в коре.
Каждая вибрисса представлена колонкой клеток, которые возбуждаются только при движении данной вибриссы .
Различают следующие типы корковых колонок: 1)ми- кроколонки - в них представлены градации выделяемого признака; 2) гиперколонки, каждая из которых содержит набор микроколонок (в гиперколонке представлен набор градаций данного признака); 3) макроколонки, каждая из которых содержит набор гиперколонок (в каждой макроколонке представлен набор признаков в данном топографически локальном участке коры больших полуша- рий, представляющем участок рецептивной поверхности).
Гиперколонка представляет собой корковую часть локального анализатора определенного свойства.
Макроколонка представляет набор таких локальных анализаторов.
Тангенциальные волокна серого вещества, распространяющиеся на 1-2 мм, по-видимому, создают латеральное торможение между гиперколонками, выделяющими одни и те же свойства в разных макроколонках. Следовательно, обработка информации о разных свойствах сигнала в разных точках пространства происходит в параллельных каналах.
Вверх от IV слоя идут нейроны отображения сигнала, нейроны V и VI слоев являются исполнительными элементами. Нейрон - элемент микроколонки является нейроном-детектором. Совокупность детекторов одного класса в гиперколонке одного топографического локуса образует квазирецептивную поверхность. Зрительная кора. Зрительная кора приматов образована вертикальными колонками нейронов. В этих колонках представлены доминантные глаза, а также колонки нейронов, чувствительных к разной ориентации участка линии, находящегося в пределах топографически локального участка проекции сетчатки. Отрезок прямой линии в поле зрения возбуждает группу макроколонок, в которой, в свою очередь, возбуждаются гиперколонки определенного класса, а именно гиперколонки, выделяющие ориентацию линии. В этих гиперколонках будут возбуждены только те микроколонки, оптимальная чувствительность к ориентации линии у которых совпадает с ориентацией линии .
Простые клетки зрительной коры.
В соответствии с функциональными свойствами в зрительной коре кошки выделяют два основных класса нейронов: клетки с простыми рецептивными полями (простые) и клетки со сложными рецептивными полями (сложные) . Область рецептивного поля, в которой стационарный стимул вызывает разряд, называется полем разряда. Поле разряда образует только часть рецептивного поля. Другие участки рецептивного поля оказывают усиливающее или ослабляющее действие. Простые клетки оптимально отвечают при определенной ориентации линии в их рецептивном поле . К возбуждающему рецептивному полю клеток примыкают тормозные зоны.
Простые клетки бывают двух типов. Одни построены из концентрических нейронов наружного коленчатого тела с возбуждающими центрами, другие из нейронов с тормозящими центрами. Тормозные зоны построены из тех же элементов, что и возбуждающие. Таким образом, одни клетки отвечают на светлые линии при темном фоне, другие - на темные линии при светлом фоне. Клетки наружного коленчатого тела в отличие от простых клеток коры имеют концентрические, а не сильно сжатые эллиптические рецептивные поля. Возбуждающее и тормозное поля простой рецептивной клетки не совпадают по центру.
Оптимальная ориентация рецептивного поля перпендикулярна линии, соединяющей центры возбуждающего и тормозного полей .
Сложные клетки зрительной коры. В отличие от простых клеток сложные клетки зрительной коры характеризуются большими рецептивными полями.
Линия оптимальной ориентации, расположенная в рецептивном поле такой клетки, вызывает ответ на включение и выключение. Сложная клетка отвечает серией разрядов при движении линии в ее рецептивном поле .
Рецептивное поле сложных клеток построено из клеток латерального коленчатого тела с возбуждающими и тормозными центрами. Это относится к возбуждающей и тормозной зонам .
Сложные клетки, так же как и простые, имеют смещенные по центру перекрывающиеся рецептивные поля.
Оптимальный наклон линии перпендикулярен линии, соединяющей центры полей. Сложные клетки возбуждаются как при действии светлых, так и темных полос. Кроме того, реакция на свет и темноту сразу же компенсируется сигналами противоположного знака. Таким образом, основное различие между простыми и сложными клетками обусловлено разным типом входов. Простые клетки имеют входы либо от ОН-, либо от ОФФ-нейронов. Сложные клетки получают сигналы и от ОН-, и от ОФФ-нейронов. При действии как темных, так и светлых полос имеет место сильное торможение по краям рецептивного поля .
Ретинотопическая проекция в зрительной коре. В зрительной коре обезьяны существует топографическая карта зрительного поля. Эта карта характеризуется «фактором увеличения», который показывает, какой размер участка представляет данную область зрительного поля. Фактор увеличения измеряется в мм/град. Представленный как функция эксцентриси- тета фактор увеличения показывает, что область фовеа представлена в зрительной коре большими участками, чем периферические участки поля зрения. Максимальное значение фактора увеличения равно 6 мм/град.
Острота зрения измеряется минимальным углом различения точек на сетчатке. Для фовеа острота зрения равна 0,67 мин. На зрительной коре этому разрешению сигналов соответствует расстояние 67 мкм. При измерении размеров рецептивного поля нейрона зрительной коры оказалось, что гиперколонки (полный набор колонок нейронов с разной оптимальной ориентацией) расположены в зрительной коре на расстоянии 1-2 мм. Локальный образ в зрительной коре возникает в пределах одной гиперколонки. Различие двух стимулов на уровне коры определяется размером рецептивного поля .
Развитие нейронов зрительной системы. Нейроны латерального коленчатого тела релейного ядра зрительной системы формируются в течение недели около 40-го дня эмбрионального развития. Синаптический аппарат начинает складываться 20 дней спустя. Быстрое увеличение размеров и клеточных тел происходит в первый месяц пост- натальной жизни. В условиях зрительной депривации этот процесс нарушается. В позднем пренатальном и раннем постнатальном периоде обнаруживают уже слоистую структуру. Основными признаками незрелости нейронов являются: наличие большого числа похожих на волоски выростов на дендритах и утолщений в виде колбочек, связанных с процессом роста .
В конце первого месяца постнатальной жизни волоски и утолщения на дендритах исчезают. Степень морфологических изменений у разных типов нейронов различна.
Мультиполярные нейроны характеризуются несколькими основными дендритами, берущими начало от сомы нейрона. Такие нейроны встречаются во всех слоях с первого до шестого. Однако имеет место градиент в степени их зрелости. Так, когда первый слой содержит нейроны с развитым дендритным деревом уже без волосков и утолщений, дендриты мультиполярных нейронов пятого и шестого слоев еще имеют волоски и утолщения, а их дендритные ветви развиты слабо.
Биполярные нейроны имеют или два основных дендрита, или три, в последнем случае у них форма треугольника. Биполярные нейроны обладают большей степенью зрелости, чем мультиполярные нейроны.
Нейроны с дендритом, напоминающим аксон, характеризуются тонкими цилиндрическими дендритами, длина которых увеличивается в процессе развития. Нейроны с веерообразными дендритами приобретают черты взрослого состояния еще в эмбриональной стадии.
Общая схема созревания нейронов наружного коленчатого тела включает: 1) появление участков роста в виде колбочек (ранний пренатальный период); 2) появление тонких волосков на дендритах (поздний пренатальный период); 3) редукция участков роста и исчезновение волосков (несколько дней постнатального периода).
Эффективность зрительной системы обезьяны, проявляющаяся сразу же после ее рождения, является следствием пренатальной дифференциации нейронов наружного коленчатого тела. Позже следует лишь созревание с формированием шипиков и дистальных участков дендритных ветвей. Полное созревание дендритной системы завершается через четыре недели после рождения .
Нейроны зрительной коры формируются под влиянием факторов внешней среды . При этом нейроны IV слоя коры, получающие афференты от наружного коленчатого тела, настроены селективно на определенный наклон линии генетически . Что касается нейронов верхних слоев коры, образующих колонку, то они приобретают селективность в зависимости от того, какие нейроны IV слоя возбуждаются внешними сигналами. Так, в «вертикальной среде» они образуют связи с детекторами вертикальных линий IV слоя, а в «горизонтальной среде» - с детекторами горизонтальных линий IV слоя. В результате в ограниченной среде формируются только такие колонки, которые имеют характеристики возбуждающихся нейронов IV слоя .
Исследования поглощения диоксиглюкозы нейронами зрительной коры в условиях стимуляции глаза кошки вертикальными или горизонтальными решетками показали, что клетки, обладающие общей ориентационной избирательностью, образуют на поверхности коры параллельные полосы, ортогональные представительству вертикального меридиана. Нейроны, характеризующиеся общей селективной ориентацией, образуют колонку. Аналогичным образом организована система представительства доминантного глаза .
Если котята воспитывались в «горизонтальной» или «вертикальной» среде, то поглощение глюкозы было раз- личным при вертикальной и горизонтальной стимуляции.
При совпадении ориентации линий в опыте животного с ориентацией тест-стимула обнаруживались более широкие полосы, образованные нейронами одной ориентации.
При несовпадении полосы были узкими и были образованы почти исключительно нейронами IV слоя коры, куда поступают афференты от наружного коленчатого тела
Таким образом, нейроны IV слоя обладают ориента- ционной селективностью, которая определяется генетически и не зависит от зрительного опыта. Нейроны же более высоких слоев коры приобретают ориентационную избирательность под влиянием зрительной стимуляции, которая исчезает в критический период развития .
Ветвь наук о жизни, связанных с анатомией, физиологией, биохимией, молекулярной биологией нервной ткани и имеющих отношение к поведению и обучению называется нейронаукой. Основные составляющие нейронауки – нейробиология, психофизиология, нейрофизиология.
Нейробиология – общее название науки, занимающейся изучением на многих уровнях (начиная с молекулярного и кончая поведенческим) нервной системы и мозга как ее главного органа. Специалисты в этой области пытаются проникнуть в молекулярные, клеточные, биохимические механизмы нервных процессов. Психофизиология, или психобиология, – область знаний о биологических механизмах психических явлений. Цель ее заключается в том, чтобы понять, как из работы мозга, которая может быть представлена в виде результатов объективных измерений, возникает то, что составляет мир психических явлений. Нейрофизиология изучает тонкие механизмы работы нервных клеток мозга, называемых нейронами, природу их возбуждения и торможения.
В данной статье мы даем достаточно подробное описание механизмов взаимодействия нейронов через синапсы и детально рассматриваем участвующие в них вещества. Также рассказывается о веществах, способные повлиять на такие взаимодействия. К ним, как нетрудно догадаться, относятся психоактивные вещества, и в частности, наркотики.
Наиболее общая суть представляемой в статье картины такова. Структурной и функциональной единицей мозга является нервная клетка – нейрон. Тела нервных клеток образуют серое вещество мозга, а их отростки, из которых формируются проводящие пути и нервы, – белое вещество. Нервная ткань – совокупность нервных клеток – является характерным, хотя и не единственным компонентом нервной системы. Нейроны – специализированные клетки, способные принимать сигналы от анализаторов (органов чувств) и других нейронов, перерабатывать их в нервные импульсы и проводить эти импульсы к нервным окончаниям, контактирующим с другими нейронами или клетками органов, принимающих те или иные команды от нервной системы. Воздействие раздражителя на рецепторы трансформируется нейронами в электрические процессы. Это – общее правило для любого из органов чувств и для любых сигналов, поступающих извне в нервную систему живого существа: все воздействия из внешнего и внутреннего мира «написаны» языком электрических процессов. Перенос информации между нейронами или между нейроном и другой клеткой (рецепторная клетка органа чувств, клетка мышцы или железы и др.) осуществляется при помощи синапсов – специальных тонких щелей между конактирующими клетками. Синапсами завершаются отростки нейронов – аксоны и дендриты (они могут быть и непосредственно на теле нейрона). Импульс передается вдоль аксона или дендрита нейрона в электрической форме (мембранный потенциал). Как только импульс достигает окончания отростка нейрона (терминали), мембранный потенциал вызывает цепь событий, приводящих к выделению в синапс специфических веществ – нейротрансмиттеров (или нейромедиаторов). Они пересекают щель между контактирующими клетками и поглощаются соответствующими участками (рецепторами) на поверхности нейрона (иной клетки), расположенного по другую сторону синапса. В результате импульс передается на этот нейрон или по крайней мере на нем облегчается возникновение импульса (есть, впрочем, и такие нейротрансмиттеры, которые не облегчают, а тормозят проведение импульса на воспринявшей их клетке).
Итак, поступление сигналов в нейрон происходит через дендриты – главное место образования влияющих на нейрон возбуждающих и тормозных синапсов. Мембрана дендритов реагирует на медиатор, информация передается к телу нейрона, где комбинируется и интегрируется, и, на выходе, проходя через аксон к его окончаниям – терминалям, мембрана которых выделяет медиатор, передается следующей группе нейронов. Распространение импульсов по нейронам (возбуждение) и гашение импульсной передачи (торможение) – эти два противоположно направленных процесса лежат в основе сбалансированного, гармоничного функционирования нервной системы – предмета нейрофизиологии.
Дендриты образуют ветвящуюся систему, воспринимающую сигналы (возбуждающие и тормозные), которые суммируются в триггерной области (аксоновый холмик) мембраны нервной клетки. В нормальном (неактивном) состоянии нейрон имеет отрицательный заряд. Разность потенциалов с окружающей нейрон средой составляет –70мВ и поддерживается клеточной мембраной, обеспечивающей пониженное содержание в клетке положительных ионов натрия и повышенное содержание отрицательных ионов калия. Если в течение короткого интервала времени суммарный сигнал в триггерной области превышает –50мВ, то в нейроне развивается лавинообразный процесс, при котором за счет изменения интенсивностей потоков ионов натрия и калия между телом нейрона и окружающей средой потенциал клетки достигает +50мВ. Возникает импульс («спайк»), который по единственному аксону передается на другие нейроны. После генерации спайка наступает период, называемый рефрактерным, в течение которого клетка восстанавливает свой начальный потенциал. Этот период длится до нескольких мс.
Для передачи импульса по аксону служит миелиновая оболочка, которая примерно через каждый миллиметр прерывается узлами, называемыми перехватами Ранвье. Импульсы передаются толчками от узла к узлу, что обеспечивает, кроме минимизации энергетических затрат, значительную скорость передачи сигнала, которая может достигать 100 м/с.
Аксон на конце имеет множество ветвей, каждая из которых завершается синапсом. Все синапсы как в центральной, так и в периферической нервной системе состоят из трех элементов: пресинаптической мембраны, постсинаптической мембраны и синаптической щели. Синаптическое окончание пресинаптического аксона отделяется от постсинаптического дендрита узкой синаптической щелью.
В пресинаптической мембране синтезируются медиаторы. Деполяризация пресинаптической мембраны: поступающим потенциалом действия приводит к выделению медиатора в синаптическую щель и воздействию его на постсинаптическую мембрану. При этом медиатор может оказывать как возбуждающий, так и тормозящий эффект. Нервное окончание и постсинаптическая мембрана в нервно-мышечном синапсе называются концевой, или двигательной пластинкой.
Передача сигнала в синапсе происходит химическим путем. Синапсы содержат большое количество пузырьков специального химического вещества (везикулы), которые под воздействием пришедшего сигнала лопаются и наполняют своим содержимым – медиаторами – синаптическую щель. Попавшие в синаптическую щель вещество играет роль трансмиттера, передающего возбуждение с аксона пресинаптического нейрона на дендрит постсинаптического нейрона. Таким способом постсинаптический нейрон получает сигналы по разветвленной системе своих дендритов и при достаточной совокупной мощности этих сигналов реагирует возбуждением и передачей сигнала на другие нейроны. Сила синаптической связи не является постоянной. В процессе жизнедеятельности синаптическая связь может усиливаться или ослабевать, что отражает процессы обучения и адаптации.
В зависимости от роли, которую играют нейроны в нейронной сети, различают эффекторные нейроны, передающие сигнал непосредственно исполнительным органам (например, мышцам), интернейроны (или вставочные нейроны), которые служат промежуточными звеньями по пути передачи сигнала, и рецепторные нейроны, воспринимающие сигналы от органов чувств.
Следует отметить, что нейрон не является бинарным элементом, который либо пассивен, либо возбужден. Уровень активности нейрона кодируется частотой последовательности импульсов (частотно-импульсная модуляция), которая может меняться в пределах от 1 до 100 гц.
Нейрон
Нейрон (нервная клетка) – это структурно-функциональная единица нервной системы. Клетка нейрона имеет сложное строение, высоко специализирована и по структуре состоит из тела (сомы) диаметром от 3 до 100 мкм, содержащего ядро и другие органеллы, и отростков. (Со строением клетки можно ознакомиться в разделе «Приложение: строение эукариотической клетки».)
Органоиды нейрона
В соме нейронов находятся ядро нейрона и ядрышко нейрона, а также хорошо развитый аппарат биосинтеза, который производит компоненты мембран, синтезирует ферменты и другие химические соединения, необходимые для специализированных функций нервных клеток. К аппарату биосинтеза в нейронах относятся тельца Ниссля – плотно прилегающие друг к другу сплюснутые цистерны гранулярного эндоплазматического ретикулума, а также хорошо выраженный комплекс Гольджи. Кроме того, сома содержит многочисленные митохондрии и элементы цитоскелета, в том числе нейрофиламенты и микротрубочки. В результате неполной деградации мембранных компонентов образуется пигмент липофусцин, накапливающийся с возрастом в ряде нейронов. В некоторых группах нейронов ствола мозга (например, в нейронах черной субстанции и голубого пятна) находится пигмент мелатонин.
Рис. Схематическое изображение двигательной нервной клетки: 1 – ядро; 2 – ядрышко; 3 – ядерная оболочка; 4 – гранулярный эндоплазматический ретикулум; 5 – комплекс Гольджи; 6 – дендриты; 7 – аксон; 8 – аксонный холмик; 9 – инициальный сегмент аксона; 10 – миелиновая оболочка; 11 – телодендрий; 12 – претерминальная и (13) терминальная части нервного волокна (аксона); 14 – пресинаптическая часть.
Ядрышко содержит большое количество РНК, покрыто тонким слоем ДНК. Существует определенная зависимость между развитием в онтогенезе ядрышка и базофильного вещества и формированием первичных поведенческих реакций у человека. Это обусловлено тем, что активность нейронов, установление контактов с другими нейронами зависят от накопления в них базофильного вещества.
Ядро нейрона окружено пористой двухслойной мембраной. Через поры происходит обмен между нуклеоплазмой и цитоплазмой. При активации нейрона ядро за счет выпячиваний увеличивает свою поверхность, что усиливает ядерно-плазматические отношения, стимулирующие функции нервной клетки. Ядро нейрона содержит генетический материал. Генетический аппарат обеспечивает дифференцировку, конечную форму клетки, а также типичные для данной клетки связи. Другой существенной функцией ядра является регуляция синтеза белка нейрона в течение всей его жизни.
Нейроны обладают рядом признаков, общих для всех клеток тела. Независимо от своего местонахождения и функций любой нейрон, как и всякая другая клетка, имеет плазматическую мембрану , определяющую границы индивидуальной клетки. Она отделяет цитоплазму клетки с включенными в нее многочисленными органоидами (ядром, аппаратом Гольджи, митохондриями и т. п.) от внеклеточной жидкости. Когда нейрон взаимодействует с другими нейронами или улавливает изменения в локальной среде, он делает это с помощью плазматической мембраны и заключенных в ней молекулярных механизмов.
Мембрана выполняет барьерную функцию, защищая клетку от поступления чужеродных веществ, и транспортную, обеспечивающую поступление в клетку необходимых для ее жизнедеятельности веществ. Через плазматическую мембрану не только регулируется поступление и выход веществ, но и осуществляется обмен информацией между клеткой и внеклеточной средой. Мембраны нервных клеток содержат множество рецепторов, активация которых приводит к повышению внутриклеточной концентрации циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ), регулирующих клеточный метаболизм.
Важно четко понимать, что многослойная мембрана, заключающая в себя тело (сома) нейрона, обеспечивает формирование и распространение электротонического потенциала к аксонному холмику. Нейроны способны выполнять свою информационную функцию в основном благодаря тому, что их мембрана обладает особыми свойствами. Мембрана нейрона имеет толщину 6 нм и состоит из двух слоев липидных молекул, которые своими гидрофильными концами обращены в сторону водной фазы: один слой молекул обращен внутрь, другой – кнаружи клетки. Гидрофобные концы повернуты друг к другу – внутрь мембраны. Белки мембраны встроены в двойной липидный слой и выполняют несколько функций: белки-«насосы» обеспечивают перемещение ионов и молекул против градиента концентрации в клетке; белки, встроенные в каналы, обеспечивают избирательную проницаемость мембраны; рецепторные белки распознают нужные молекулы и фиксируют их на мембране; ферменты, располагаясь на мембране, облегчают протекание химических реакций на поверхности нейрона. В ряде случаев один и тот же белок может быть и рецептором, и ферментом, и «насосом».
В отличие от большинства других клеток тела зрелые нейроны не могут делиться, и генетически обусловленные продукты любого нейрона должны обеспечивать сохранение и изменение его функций на протяжении всей его жизни .
Органеллы
Все, что находится внутри плазматической мембраны (кроме ядра), называется цитоплазмой
. Здесь содержатся цитоплазматические органеллы
, необходимые для существования нейрона и выполнения им своей работы.
Митохондрии обеспечивают клетку энергией, используя сахар и кислород для синтеза специальных высокоэнергетических молекул, расходуемых клеткой по мере надобности. Они играют важную роль в клеточном дыхании. Их больше всего у наиболее активных частей нейрона: аксонного холмика, в области синапсов. При активной деятельности нейрона количество митохондрий возрастает.
Микротрубочки – тонкие опорные структуры внутри аксона – помогают нейрону сохранять определенную форму. Сеть внутренних мембранных канальцев, с помощью которых клетка распределяет продукты, необходимые для ее функционирования, называется эндоплазматическим ретикуломом .
Существует два вида эндоплазматического ретикулума. Мембраны «шероховатого», или гранулярного, ретикулума усеяны рибосомами , необходимыми клетке для синтеза секретируемых ею белковых веществ. Обилие элементов шероховатого ретикулума в цитоплазме нейронов характеризует их как клетки с весьма интенсивной секреторной деятельностью. Белки, предназначенные только для внутриклеточного использования, синтезируются на многочисленных рибосомах, не прикрепленных к мембранам ретикулума, а находящихся в цитоплазме в свободном состоянии. Другой вид эндоплазматического ретикулума называют «гладким»
Органеллы, построенные из мембран гладкого ретикулума, упаковывают продукты, предназначенные для секреции, в «мешочки» из таких мембран для последующего переноса их к поверхности клетки, где они выводятся наружу. Гладкий эндоплазматический ретикулум называют также аппаратом Гольджи , по имени итальянца Эмилио Гольджи, который впервые разработал метод окраски этой внутренней структуры, сделавший возможным ее микроскопическое изучение. В центре цитоплазмы находится клеточное ядро . Здесь у нейронов, как и у всех клеток с ядрами, содержится генетическая информация, закодированная в химической структуре генов. В соответствии с этой информацией полностью сформированная клетка синтезирует специфические вещества, которые определяют форму, химизм и функции этой клетки.
Рибосомы располагаются, как правило, вблизи ядра и осуществляют синтез белка на матрицах тРНК. Рибосомы нейронов вступают в контакт с эндоплазматической сетью пластинчатого комплекса и образуют базофильное вещество.
Базофильное вещество (вещество Ниссля, тигроидное вещество, тигроид) – трубчатая структура, покрытая мелкими зернами, содержит РНК и участвует в синтезе белковых компонентов клетки. Длительное возбуждение нейрона приводит к исчезновению в клетке базофильного вещества, а значит, и к прекращению синтеза специфического белка. У новорожденных нейроны лобной доли коры большого мозга не имеют базофильного вещества. В то же время в структурах, обеспечивающих жизненно важные рефлексы – спинном мозге, стволе мозга, нейроны содержат большое количество базофильного вещества. Оно аксоплазматическим током из сомы клетки перемещается в аксон.
Пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи) – органелла нейрона, окружающая ядро в виде сети. Пластинчатый комплекс участвует в синтезе нейросекреторных и других биологически активных соединений клетки. Fппарат Гольджи – система внутриклеточных мембран, каждая из которых представляет собой ряды уплощенных цистерн и секреторных пузырьков. Эту систему цитоплазматических мембран называют агранулярным ретикулумом ввиду отсутствия прикрепленных к ее цистернам и пузырькам рибосом.
Пластинчатый комплекс принимает участие в транспорте из клетки определенных веществ, в частности белков и полисахаридов. Значительная часть белков, синтезированных в рибосомах на мембранах гранулярного эндоплазматического ретикулума, поступив в пластинчатый комплекс, превращается в гликопротеины, которые упаковываются в секреторные пузырьки, а затем выделяются во внеклеточную среду. Это указывает на наличие тесной связи между пластинчатым комплексом и мембранами гранулярного эндоплазматического ретикулума.
Лизосомы и их ферменты представляют собой пузырьки, ограниченные простой мембраной и обеспечивающие фагоцитоз клетки. Они содержат набор гидролитических ферментов, способных гидролизовать вещества, попавшие в клетку. В случае гибели клетки лизосомальная мембрана разрывается и начинается процесс аутолиза – вышедшие в цитоплазму гидролазы расщепляют белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Нормально функционирующая клетка надежно защищена лизосомальной мембраной от действия гидролаз, содержащихся в лизосомах.
Пигменты нейронов – меланин и липофусцин находятся в нейронах черного вещества среднего мозга, в ядрах блуждающего нерва, клетках симпатической системы.
Нейротрубочки пронизывают сому нейрона и принимают участие в хранении и передаче информации.
Нервные отростки
Нейроны сильно различаются по своей форме, по связям, которые они образуют, и способам функционирования. Наиболее очевидное отличие нейронов от других клеток заключается в разнообразии их размеров и формы. Большинство клеток тела имеет шарообразную, кубическую или пластинчатую форму. Для нейронов же характерны неправильные очертания: у них имеются отростки, часто многочисленные и разветвленные. Эти отростки - живые «провода», с помощью которых образуются нейронные цепи
.
Выделяют два вида отростков: дендриты и аксон. Нейрон имеет развитый цитоскелет, проникающий в его отростки. Цитоскелет поддерживает форму клетки, его нити служат «рельсами» для транспорта органелл и упакованных в мембранные пузырьки веществ, например, нейромедиаторов. В теле нейрона выявляется развитый синтетический аппарат.
Аксон (греч. «ось») – обычно длинный отросток, приспособленный для проведения возбуждения от тела нейрона к дендритам другого нейрона. Конец аксона сильно ветвится, один аксон может контактировать с 5 тысячами нервных клеток и создавать до 10 тысяч контактов.
Специализированный участок тела клетки (чаще сомы, но иногда – дендрита), от которого отходит аксон, называется аксонным холмиком. Аксон и аксонный холмик отличаются от сомы и проксимальных участков дендритов тем, что в них нет гранулярного эндоплазматического ретикулума, свободных рибосом и комплекса Гольджи.
Дендриты – как правило, короткие и сильно разветвлённые отростки, принимающие сигнал и служащие главным местом образования влияющих на нейрон возбуждающих и тормозных синапсов (разные нейроны имеют различное соотношение длины аксона и дендритов). Этот термин, происходящий от греческого слова dendron – «дерево», означает, что они имеют древовидную форму.
На дендритах имеются боковые отростки (шипики), которые увеличивают их поверхность и являются местами наибольших контактов с другими нейронами.
На дендритах и на поверхности центральной части нейрона, окружающей ядро (и называемой перикарионом, или телом клетки), располагаются входные синапсы (места контактов нейронов) , образуемые аксонами других нейронов. Благодаря этому каждый нейрон оказывается звеном той или иной нейронной сети.
Нейрон может иметь несколько дендритов и обычно только один аксон. Один нейрон может иметь связи со многими (до 20-ти тысяч) другими нейронами. Дендриты не имеют миелиновой оболочки, аксоны же имеют. Местом генерации возбуждения у большинства нейронов является аксонный холмик – образование в месте отхождения аксона от тела. У всех нейронов эта зона называется триггерной.
Нервные импульсы распространяются по отросткам нейронов и передаются через синапсы (как правило, от аксонной терминали на сому или дендрит следующего нейрона). Возникновение и распространение нервного импульса, а также его синаптическая передача тесно связаны с электрическими явлениями на плазматической мембране нейрона.
На основании числа и расположения дендритов и аксона, нейроны делятся на униполярные нейроны, псевдоуниполярные нейроны, биполярные нейроны и мультиполярные (много дендритных стволов, обычно эфферентных) нейроны.
По положению в рефлекторной дуге различают афферентные нейроны (чувствительные нейроны), эфферентные нейроны (часть из них называется двигательными нейронами, иногда это не очень точное название распространяется на всю группу эфферентов) и интернейроны (вставочные нейроны или ассоциативные; эта группа нейронов осуществляет связь между эфферентными и афферентными нейронами).
Афферентные нейроны (чувствительные, сенсорные нейроны) – проводят информацию об ощущении (импульс) от поверхности тела и внутренних органов в мозг.
Эфферентные нейроны (двигательные нейроны) – проводят импульс («команды») от головного и спинного мозга ко всем рабочим органам.
Вставочные нейроны (ассоциативные) – анализируют информацию и вырабатывают решения.
Вставочный нейрон передает возбуждение от афферентного (чувствительного) нейрона на эфферентные, лежит в пределах ЦНС. Тела эфферентных нейронов находятся в ЦНС или на периферии – в симпатических, парасимпатических узлах. Аксоны этих клеток продолжаются в виде нервных волокон к рабочим органам (произвольным – скелетным и непроизвольным – гладким мышцам, железам).
Нейрон выполняет трудную и тонкую работу в организме, поэтому его необходимо освободить от будничной простой работы (питание, удаление шлаков, защита от механических повреждений), что и делается клетками нейроглии (микроглия, олигодендроглия и астроглия). Клетки микроглии участвуют в образовании мозговых оболочек, клетки олигодендроглии – в образовании оболочек (милеиновых чехлов) вокруг отдельных отростков нервных клеток.
Глиальные клетки
Помимо нейронов нервная ткань содержит клетки еще одного типа. Глиальные клетки окружают нервные клетки и играют вспомогательную роль. Они выполняют опорную и защитную функции и называются глиальными клетками или глией. По численности их в 10 раз больше, чем нейронов, и они занимают половину объема ЦНС. Глия не только выполняет опорные функции, но и обеспечивает многообразные метаболические процессы в нервной ткани, участвует в формировании миелиновой оболочки и способствует восстановлению нервной ткани после травм и инфекций.
Все клетки нейроглии делятся на два генетически различных вида: глиоциты (макроглия), микроглия.
К макроглии центральной нервной системы относят эпендимоциты, астроциты и олигодендроциты.
Эпендимоциты. Они образуют плотный слой клеточных элементов, выстилающих спинномозговой канал и все желудочки мозга. Выполняют пролиферативную, опорную функцию, участвуют в образовании сосудистых сплетений желудочков мозга. В сосудистых сплетениях слой эпендимы отделяет цереброспинальную жидкость от капилляров. Эпендимальные клетки желудочков мозга выполняют функцию гематоэнцефалического барьера. Некоторые эпендимоциты выполняют секреторную функцию участвуя в процессах образования цереброспинальной жидкости и выделяя различные активные вещества прямо в полость мозговых желудочков или кровь. Например, в области задней комиссуры головного мозга эпендимоциты образуют особый «субкомиссуральный орган», выделяющий секрет, возможно, участвующий в регуляции водного обмена.
Астроциты. Они образуют опорный аппарат центральной нервной системы. Различают два вида астроцитов: протоплазматические и волокнистые (фибриллярные). Между ними имеются и переходные формы. Протоплазматические астроциты лежат преимущественно в сером веществе центральной нервной системы и несут разграничительную и трофическую функции. Волокнистые астроциты располагаются главным образом в белом веществе мозга и в совокупности образуют плотную сеть – поддерживающий аппарат мозга. Отростки астроцитов на кровеносных сосудах и на поверхности мозга своими концевыми расширениями формируют периваскулярные глиальные пограничные мембраны, играющие важную роль в обмене веществ между нейронами и кровеносной системой. Эти клетки переносят питательные вещества из крови в нейроны.
Основная функция астроцитов – опорная и изоляция нейронов от внешних влияний, что необходимо для осуществления специфической деятельности нейронов.
Астроциты двух типов взаимосвязаны и образуют обширное трехмерное пространство, в которое погружены нейроны. Они часто делятся, образуя в случае повреждений центральной нервной ситемы рубцовую ткань. Олигодендроциты локализованы в сером и белом веществе. Они мельче астроцитов и содержат одно сферическое ядро. От тела клетки отходит небольшое число тонких веточек, а само оно содержит цитоплазму с большим количеством рибосом.
Олигодендроциты (олигодендроглиоциты). Это самая многочисленная группа клеток нейроглии. Олигодендроциты окружают тела нейронов в центральной и перферической нервной системе, находятся в составе оболочек нервных волокон и в нервных окончаниях. В разных отделах нервной системы олигодендроциты имеют различную форму. Изучение методом электронной микроскопии показало, что по плотности цитоплазмы клетки олигодендроглии приближаются к нервным и отличаются от них тем, что не содержат нейрофиламентов.
Функциональное значение этих клеток очень разнообразно. Они выполняют трофическую функцию, принимая участие в обмене веществ нервных клеток. Олигодендроциты играют значительную роль в образовании оболочек вокруг отростков клеток, при этом они называются нейролеммоцитами (леммоциты – шванновские клетки). В процессе дегенерации и регенерации нервных волокон олигодендроциты выполняют еще одну очень важную функцию – они участвуют в нейронофагии (от греч. фагос – пожирающий), т.е. удаляют омертвевшие нейроны путем активного поглощения продуктов распада.
К макроглии периферической нервной системы относятся:
- шванновские клетки (леммоциты) – это специализированные олигодендроциты, синтезирующие миелиновую оболочку миелинизированных волокон. Они отличаются от олигодендроглии тем, что охватывают обычно только один участок отдельного аксона. Длина такого охвата не превышает 1 мм. Между отдельными шванновскими клетками формируются своеобразные границы, которые носят название перехватов Ранвье. Шванновская клетка «накручивается» на аксон и, теряя в намотанной части цитоплазму, формирует из своей мембраны плотный многослойный миелиновый футляр.
- клетки-сателлиты – инкапсулируют нейроны ганглиев спинальных и черепных нервов, регулируя микросреду вокруг этих нейронов аналогично тому, как это делают астроциты.
Клетки микроглии локализованы и в сером, и в белом веществе, но в сером веществе их больше. От каждого конца маленького продолговатого тела клетки, содержащей лизосомы и хорошо развитый аппарат Гольджи, отходит по толстому отростку. От всех его ветвей отходят более мелкие боковые веточки. При повреждении мозга эти клетки превращаются в фагоциты и, перемещаясь при помощи амебоидного движения, противостоят вторжению чужеродных частиц.
Клетки микроглии являются глиальными макрофагами и выполняют защитную функцию, принимая участие в разнообразных реакциях в ответ на повреждающие факторы. При этом клетки микроглии сначала увеличиваются в объеме, затем митотически делятся. Измененные при раздражении клетки микроглии называются зернистыми шарами.
Глиальные клетки окружают нервные клетки и в некоторых местах тесно соприкасаются с ними. Число глиальных клеток в нервной системе примерно на порядок больше числа нейронов. Особую роль глиальные клетки играют в формировании так называемых миелиновых оболочек аксонов. Миелиновые оболочки формируются у позвоночных в ЦНС за счет отростков олигодендроцитов, а на периферии – за счет так называемых шванновских клеток. Эти клетки окутывают аксоны многослойными миелиновыми «муфтами» так, что большая часть аксона оказывается покрытой ими, а открытыми остаются узкие участки между муфтами – перехваты Ранвье. Последние у таких волокон имеют особое функциональное значение.
Взаимодействие глии и нейронов. Между нейронами и глиальными клетками существуют сообщающиеся между собой щели размером 15-20 нм, так называемое интерстициальное пространство, занимающее 12-14% общего объема мозга.
Во время потенциала действия концентрация ионов калия в интерстициальном пространстве может возрастать от 3-4 ммоль/л до 10 ммоль/л, что может вызвать значительную деполяризацию нервных клеток. В результате же активного транспорта ионов калия его внеклеточная концентрация может стать ниже нормальной, что вызывает гиперполяризацию нервных клеток.
Глиальные клетки имеют высокую проницаемость для ионов калия. Когда несколько глиальных клеток деполяризуются вследствие местного повышения концентрации ионов калия, между деполяризованными и недеполяризованными клетками возникает ток, создающий вход ионам калия в деполяризованные глиальные клетки, в результате чего внеклеточная концентрация ионов калия уменьшается. Благодаря высокой проницаемости глиальных клеток для ионов калия и электрическим связям между ними глиальные клетки действуют как буфер в случае повышения внеклеточной концентрации калия.
Миелин и глиальные клетки. Многие аксоны покрыты миелиновой оболочкой, которая образована многократно закрученной мембраной глиальных клеток (шванновскими клетками). Миелин состоит преимущественно из липидов, что и придает характерный вид белому веществу головного и спинного мозга. Благодаря миелиновой оболочке скорость проведения потенциала действия по аксону увеличивается, так как ионы могут перемещаться через мембрану аксона лишь в местах, не покрытых миелином, – перехватах Ранвье . Между перехватами импульсы проводятся по миелиновой оболочке как по электрическому кабелю. Поскольку открытие канала и прохождение по нему ионов занимает какое-то время, устранение постоянного открывания каналов и ограничение их сферы действия небольшими зонами мембраны, не покрытыми миелином, ускоряет проведение импульсов по аксону примерно в 10 раз.
Только часть глиальных клеток участвует в формировании миелиновой оболочки нервов (шванновские клетки) или нервных трактов (олигодендроциты). Гораздо более многочисленные глиальные клетки (астроциты, микроглиоциты) выполняют иные функции: образуют несущий каркас нервной ткани, обеспечивают ее метаболические потребности и восстановление после травм и инфекций. Астроциты находятся вокруг нейронов, обеспечивая их механическую защиту, и, кроме того, доставляют в нейрон питательные вещества и убирают шлаки. Клетки глии обеспечивают также изоляцию одних нейронов от воздействия других. Мембрана состоит обычно из двух слоев белка, между которыми расположен слой липидов. В такую мембрану встроены разнообразные частицы. Одни из них являются частицами белка и пронизывают мембрану насквозь (интегральные белки), образуя места прохождения для ряда ионов: натрия, калия, кальция, хлора. Это, так называемые, ионные каналы. Другие частицы прикреплены на внешней поверхности мембраны и состоят не только из молекул белка, но и из полисахаридов. Это рецепторы для молекул биологически активных веществ, например медиаторов, гормонов и др.
Клеточная мембрана
Клеточная мембрана (плазмалемма, плазмолемма) – это тройная липопротеиновая (т.е. «жиро-белковая») оболочка, отделяющая клетку от окружающей среды и осуществлящая управляемый обмен между клеткой и окружающей её средой.
Главное в этом определении – не то, что мембрана отделяет клетку от среды, а как раз то, что она соединяет клетку с окружающей средой. Мембрана - это активная структура клетки, она постоянно работает.
Свойства мембраны:
- проницаемость
- полупроницаемость
- избирательная проницаемость
- активная проницаемость
- управляемая проницаемость
- фагоцитоц и пиноцитоз
- экзоцитоз
- наличие электрических и химических потенциалов
- изменения электрического потенциала
- раздражимость. Специальные молекулярные рецепторы, находящиеся на мембране, могут соединяться с сигнальными (управляющими) веществами, вследствие чего может меняться состояние мембраны и всей клетки. Молекулярные рецепторы запускают биохимические реакции в ответ на соединение с ними лагандов (управляющих веществ).
- каталитическая ферментативная активность. Ферменты могут быть встроены в мембрану или связаны с её поверхностью (как внутри, так и снаружи клетки), и там они осуществляют свою ферментативную деятельность.
Как видим, основное свойство мембраны – это её проницаемость по отношению к различным веществам.
Функции мембраны. Главное в работе клеточной мембраны – это обмен различными веществами между клеткой и межклеточной средой. Этому служит такое свойство мембраны как проницаемость. Кроме того, мембрана регулирует этот обмен за счёт того, что регулирует свою проницаемость.
Ещё одна важная функция мембраны – создание разности электрических потенциалов между её внутренней и наружной сторонами. За счёт этого внутри клетка имеет отрицательный электрический потенциал – потенциал покоя.
Через мембрану осуществляется также информационный обмен между клеткой и окружающей её средой. Специальные молекулярные рецепторы, расположенные на мембране, могут связываться с управляющими веществами (гормонами, медиаторами, модуляторами) и запускать в клетке биохимические реакции, приводящие к различным изменениям в работе клетки или в её структурах.
Строение мембраны. Клеточная мембрана имеет универсальное трёхслойное строение. Её срединный жировой слой является сплошным, а верхний и нижний белковые слои покрывают его в виде мозаики из отдельных белковых участков. Жировой слой является основой, обеспечивающей обособление клетки от окружающей среды, изолирующей её от окружающей среды. Сам по себе он очень плохо пропускает водорастворимые вещества, но легко пропускает жирорастворимые. Поэтому проницаемость мембраны для водорастворимых веществ (например, ионов), приходится обеспечивать специальными белковыми структурами – транспортёрами и ионными каналами.
Рис. Схема трех слоёв мембраны
Живая клетка – это маленький «белково-жировой мешочек», заполненный полужидким желеобразным содержимым, которое пронизано плёнками и трубочками. Стенки этого мешочка образованы двойной жировой (липидной) плёночкой, облепленной изнутри и снаружи белками – клеточной мембраной. Поэтому говорят, что мембрана имеет трёхслойное строение: белки-жиры-белки. Внутри клетки также есть множество подобных жировых мембран, которые делят её внутреннее пространство на отсеки. Такими же мембранами окружены клеточные органеллы: ядро, митохондрии, хлоропласты. Так что мембрана – это универсальная молекулярная структура, свойственная всем клеткам и всем живым организмам.
Ионные каналы мембраны. Через мембранную жировую плёнку могут проникать в клетку только жирорастворимые вещества. Это жиры, спирты, газы. Например, в эритроцитх прямо через мембрану легко проходят внутрь и наружу кислород и углекислый газ. А вот вода и водорастворимые вещества (например, ионы) просто так через мембрану не могут пройти внутрь любой клетки. Это значит, что для них нужны специальные отверстия. Но если просто сделать отверстие в жировой плёнке, то оно тут же затянется обратно. Что же делать? Выход в природе был найден: надо сделать специальные белковые транспортные структуры и протянуть их сквозь мембрану. Именно так и получаются каналы для пропускания не растворимых в жире веществ – ионные каналы мембраны клетки.
Итак, для придания своей мембране дополнительных свойства проницаемости для полярных молекул (ионов и воды) клетка синтезирует в цитоплазме специальные белки, которые затем встраиваются в мембрану. Они бывают двух типов: белки-транспортёры (например, транспортные АТФазы) и белки-каналоформеры (образователи каналов). Эти белки встраиваются в двойной жировой слой мембраны и формируют транспортные структуры в виде транспортёров или в виде ионных каналов. Через эти транспортные структуры теперь могут проходить различные водорастворимые вещества, которые по-другому проходить сквозь жировую мембранную плёнку не могут.
Рис. Мембрана нейрона и натриевые каналы
Простейшая схема, демонстрирующая мембрану с двумя натриевыми каналами в открытом и закрытом состоянии, соответственно
Вообще, встроенные в мембрану белки ещё называются интегральными, именно потому что они как бы включаются в состав мембраны и пронизывают её насквозь. Другие белки, не интегральные, образуют как бы острова, «плавающие» по поверхности мембраны: либо по её наружной поверхности, либо по внутренней. Ведь всем известно, что жир является хорошей смазкой и скользить по нему получается легко.
Транспортные структуры мембраны – это специальные белковые структуры, встроенные в мембрану и обеспечивающие трансмембранный транспорт, т.е. перенос веществ через мембрану.
Многие вещества могут проходить сквозь клеточную мембрану самостоятельно, за счёт простой диффузии. Они «автоматически» перемещаются из зоны своей повышенной концентрации в зону пониженной концентрации, т.к. стремятся уравнять свою концентрацию по обе стороны мембраны. Так обычно ведут себя все вещества в растворах: они стремятся равномерно распределиться по всему объёму жидкости, пытаясь преодолеть разделяющую раствор на отсеки преграду. В принципе, любая молекула может пройти через липидный бислой клеточной мембраны, потому что составляющие его молекулы липидов сохраняют некоторую подвижность относительно друг друга и могут временами раздвигаться в стороны, пропуская различные вещества. Однако скорость такой пассивной диффузии, т.е. перехода вещества через мембрану из области с большей концентрацией в область с меньшей, может сильно различаться для разных веществ. Для многих веществ диффузия занимает столь длительное время, что можно говорить о практической непроницаемости для них мембраны. Скорость диффузии различных веществ через мембрану зависит главным образом от размера их молекул, электрического заряда (полярности) и их относительной растворимости в жирах.
Легче и лучше всего через мембрану пассивно проникают жирорастворимые неполярные мелкие молекулы. Так, легче всего с помощью простой диффузией проходят через мембрану малые неполярные молекулы, такие как О2, стероиды, тиреоидные гормоны, а также жирные кислоты. Несколько медленнее диффундируют через липидный слой малые полярные незаряженные молекулы: СО2, NH3, Н2О, этанол, мочевина. Диффузия глицерола идёт уже значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от размера, липидная мембрана практически непроницаема. Таким образом, свободно проникать сквозь мембрану в клетку и обратно могут только жирорастворимые вещества, способные растворяться в жировом (липидном) слое мембраны. Транспорт других веществ через мембрану требует особых механизмов. Какие же вещества необходимо протаскивать через мембрану «насильно»? Это все полярные молекулы, не растворимые в жирах: молекулы воды, ионы (электролиты), а также более крупные молекулы питательных веществ, таких как глюкоза и аминокислоты.
Для транспорта в клетку веществ, слабо способных к диффузии через липидный слой мембраны, необходимы специальные транспортные структуры.
Виды транспортных структур мембраны:
1. Ионные каналы – специальные поры (дырочки) в мембране, образованные канальными белками, позволяющие ионам проходить через мембрану в обоих направлениях: как внутрь, так и наружу.
2. Транслоказы – специальные мембранные белки, облегчающие переход вещества через мембрану за счёт своего временного связывания с диффундирующим веществом. Не требуют энергии, работают в обоих направлениях в зависимости от концентрации переносимого вещества.
3. Транспортёры – белковые структуры, насильно протаскивающие определённые вещества сквозь клеточную мембрану в определённом направлении с затратами энергии. Ионные насосы – это транспортёры ионов. По способу использования энергии для своей работы транспортёры можно разделить на «симпортные» и «антипортные». Симпортные транспортёры используют совместный транспорт в одном направлении двух веществ: одно из них должно иметь большую потенциальную энергию для движения через мембрану. Например, симпорт в клетку с помощью ионов натрия глюкозы, или симпорт ионов кальция с помощью ионов натрия. Антипортные транспортёры (обменники) используют встречный транспорт двух веществ с разной потенциальной энергией диффузии. Так работает, например, натрий-калиевый ионный насос.
Итак, перенос веществ через клеточную мембрану происходит различными путями.
Механизмы транспорта веществ через мембрану:
1. Простая диффузия жирорастворимых (гидрофобных) веществ через жировой слой мембраны. Это пассивный процесс под действием градиента (перепада) концентрации вещества по разные стороны мембраны. (Смотрите видео: пассивный транспорт через мембрану).
2. Неуправляемая диффузия (неуправляемый пассивный перенос) водорастворимых веществ через постоянно открытые ионные каналы мембраны.
3. Управляемая диффузия (управляемый пассивный перенос) водорастворимых веществ через управляемые ионные каналы мембраны.
4. Активный транспорт водорастворимых веществ с помощью специальных белковых транспортных структур (транспортёров) за счёт использования энергии расщепления АТФ.
Одна из самых главных транспортных структур мембраны – это фермент АТФаза. АТФазы разных видов транспортируют через мембрану ионы. Они переносят их как внутрь клетки, так и, наоборот, наружу.
Название АТФаза означает, что это фермент, нацеленный на расщепление АТФ (аденозинтрифосфатаза).
В настоящее время обраружено множество различных видов транспортных АТФаз. Они схожи между собой по строению и механизму действия, но имеют разную специализацию, т.е. каждый их вид перетаскивает через мембрану что-то своё. В настоящее время достаточно хорошо изучены Na+/K+-АТФаза, Ca2+-АТФаза, H+-АТФаза, H+,K+-АТФаза, Mg2+-АТФаза, которые обеспечивают перемещение соответственно ионов Na+, K+, Ca2+, H+, Mg2+ изолированно или сопряжённо: например, Na+ сопряжённо с К+; Н+ сопряжённо с К+.
В чём принцип работы АТФазы?
Эти ферменты расщепляют АТФ и высвобождают химическую энергию, заключённую в молекулах АТФ. Эта освобождённая энергия тратится тут же на какую-то полезную работу. Транспортные мембранные АТФазы тратят её на доставку определённого вещества на противоположную сторону мембраны «силой». Различные АТФазы, встроенные в мембрану, выполняет функцию переносчиков для различных веществ и являются, таким образом, молекулярными транспортёрами, «насильно» переносящими вещества сквозь мембрану. Такой перенос называется активным транспортом.
Самой главной мембранной АТФазой по праву можно считать Na,K-АТФазу (натрий-калиевую аденозинтрифосфатазу).
Na,K-АТФаза образует в мембране «ионный натрий-калиевый насос» , который разносит по разные стороны мембраны ионы Na+ и K+. Важно понять, что этот насос работает как обменник. На внутренней стороне мембраны активный центр фермента (АТФазы) захватывает 3 иона натрия и выбрасывает их уже на внешней стороне. А выбросив ионы натрия наружу, АТФаза на их место захватывает снаружи 2 иона калия. Затем фермент выворачивается внутрь клетки и перемещает ионы калия на внутреннюю сторону мембраны. Там он отпускает их, а вместо них опять захватывает 3 иона натрия.
При этом следует помнить, что, как истинный фермент, Na,K-АТФаза параллельно расщепляет АТФ, получая от этого энергию на свою транспортную деятельность. Далее цикл повторяется.
Мембранный потенциал покоя. Зачем нам нужно знать, что такое потенциал покоя? Что такое «животное электричество»? Откуда в организме берутся «биотоки»? Как живая клетка, находящаяся в водной среде, может превратиться в «электрическую батарейку»?
На эти вопросы мы сможем ответить, если узнаем, как клетка за счёт перераспределения электрических зарядов создаёт себе электрический потенциал на мембране.
Как работает нервная система? С чего в ней всё начинается? Откуда в ней берётся электричество для нервных импульсов?
На эти вопросы мы также сможем ответить, если узнаем, как нервная клетка создаёт себе электрический потенциал на мембране.
Итак, понимание того, как работает нервная система, начинается с того, что надо разобраться, как работает отдельная нервная клетка – нейрон.
А в основе работы нейрона с нервными импульсами лежит перераспределение электрических зарядов на его мембране и изменение величины электрических потенциалов. Но чтобы потенциал изменять, его нужно для начала иметь. Поэтому можно сказать, что нейрон, готовясь к cвоей нервной работе, создаёт на своей мембране электрический потенциал, как возможность для такой работы.
Таким образом, наш самый первый шаг к изучению работы нервной системы – это понять, каким образом перемещаются электрические заряды на нервных клетках к как за счёт этого на мембране появляется электрический потенцила. Этим мы и займёмся, и назовём этот процесс появления электрического потенциала у нейронов – формирование потенциала покоя.
В норме, когда клетка готова к работе, у неё уже есть электрический заряд на поверхности мембраны. Он называется мембранный потенциал покоя.
Потенциал покоя – это разность электрических потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его средняя величина составляет –70 мВ (милливольт).
«Потенциал» – это возможность, он сродни понятию «потенция». Электрический потенциал мембраны – это её возможности по перемещению электрических зарядов, положительных или отрицательных. В роли зарядов выступают заряженные химические частицы – ионы натрия и калия, а также кальция и хлора. Из них только ионы хлора заряжены отрицательно (–), а остальные – положительно (+).
Имея электрический потенциал, мембрана может перемещать в клетку или из клетки указанные выше заряженные ионы.
Важно понимать, что в нервной системе электрические заряды создаются не электронами, как в металлических проводах, а ионами – химическими частицами, имеющими электрический заряд. Электрический ток в организме и его клетках – это поток ионов, а не электронов, как в проводах. Обратите также внимание на то, что заряд мембраны измеряется изнутри клетки, а не снаружи.
То есть снаружи вокруг клетки будут преобладать положительно заряженные ионы, а внутри – отрицательно заряженные ионы. Можно сказать, что внутри клетка электроотрицательна.
Сущность потенциала покоя – это преобладание на внутренней стороне мембраны отрицательных электрических зарядов в виде анионов и недостаток положительных электрических зарядов в виде катионов, которые сосредотачиваются на её наружной стороне, а не на внутренней.
Такое положение вещей достигается с помощью трёх явлений: (1) поведения мембраны, (2) поведения положительных ионов калия и натрия и (3) соотношения химической и электрической силы.
1. Поведение мембраны. В поведении мембраны для потенциала покоя важны три процесса:
1) Обмен внутренних ионов натрия на наружные ионы калия. Обменом занимаются специальные транспортные структуры мембраны: ионные насосы-обменники. Таким способом мембрана перенасыщает клетку калием, но обедняет натрием.
2) Открытые калиевые ионные каналы. Через них калий может как заходить в клетку, так и выходить из неё. Он выходит в основном.
3) Закрытые натриевые ионные каналы. Из-за этого натрий, выведенный из клетки насосми-обменниками, не может вернуться в неё обратно. Натриевые каналы открываются только при особых условиях – и тогда потенциал покоя нарушается и смещается в сторону нуля. Это называется деполяризацией мембраны, т.е. уменьшением полярности.
2. Поведение ионов калия и натрия. Ионы калия и натрия по-разному перемещаются через мембрану:
1) Через ионные насосы-обменники калий затаскивается в клетку, а натрий выводится из клетки.
2) Через постоянно открытые калиевые каналы калий выходит из клетки, но может и возвращаться в неё обратно через них же.
3) Натрий «хочет» войти в клетку, но «не может», т.к. каналы для него закрыты.
3. Соотношение химической и электрической силы.
По отношению к ионам калия между химической и электрической силой устанавливается равновесие на уровне - 70 мВ.
1) Химическая сила выталкивает калий из клетки, но стремится затянуть в неё натрий.
2) Электрическая сила стремится затянуть в клетку положительно заряженные ионы (как натрий, так и калий).
Формирование потенциала покоя. Наши клетки только снаружи положительные, а внутри они весьма отрицательные, и в них существует избыток отрицательных частиц – анионов и недостаток положительных частиц – катионов. Внутренняя электроотрицательность клетки возникает не из-за появления лишних отрицательных частиц (анионов), а наоборот – из-за потери некоторого количества положительных частиц (катионов). И поэтому сущность нашего рассказа будет заключаться не в том, что мы объясним, откуда берутся отрицательные частицы в клетке, а в том, что мы объясним, каким образом в нейронах получается дефицит положительно заряженных ионов – катионов.
Куда же деваются из клетки положительно заряженные частицы? Напомним, что это ионы натрия – Na+ и калия - K+.
А всё дело заключается в том, что в мембране нервной клетки постоянно работают насосы-обменники, образованные специальными белками, встроенными в мембрану. Что они делают? Они меняют «собственный» натрий клетки на наружный «чужой» калий. Из-за этого в клетке оказывается в конце концов недостаток натрия, который ушёл на обмен. И в то же время клетка переполняется ионами калия, который в неё натащили эти молекулярные насосы.
Чтобы легче было запомнить, образно можно сказать так: «Клетка любит калий!» (Хотя об истинной любви здесь не может идти и речи!) Поэтому она и затаскивает калий в себя, несмотря на то, что его и так полно. Поэтому она невыгодно обменивает его на натрий, отдавая 3 иона натрия за 2 иона калия. Поэтому она тратит на этот обмен энергию АТФ. И как тратит! До 70% всех энергозатрат нейрона может уходить на работу натрий-калиевых насосов. Вот что делает любовь, пусть даже не настоящая!
Кстати, интересно, что клетка не рождается с потенциалом покоя в готовом виде. Например, при дифференцировке и слиянии миобластов потенциал их мембраны изменяется от –10 до –70мВ, т.е. их мембрана становится более электроотрицательной, она поляризуется в процессе дифференцировки.
Образно говоря, можно сказать, что создавая потенциал покоя, клетка «заряжается любовью» к калию и любовью калия к свободе. Как ни странно, но результат этих двух видов любви - пустота!
Именно пустота, создаёт в клетке отрицательный электрический заряд – потенциал покоя. Точнее, отрицательный потенциал создают пустые места, оставшиеся от убежавшего из клетки калия.
Натрий-калиевый ионный насос-обменник создаёт три потенциала (возможности):
1. Электрический потенциал – возможность затягивать внутрь клетки положительно заряженные частицы (ионы).
2. Ионный натриевый потенциал – возможность затягивать внутрь клетки ионы натрия (и именно натрия, а не какие-нибудь другие).
3. Ионный калиевый потенциал – возможновть выталкивать из клетки ионы калия (и именно калия, а не какие-нибудь другие).
Итак, результат деятельности мембранных ионных насосов-обменников таков:
1. Дефицит натрия (Na+) в клетке.
2. Избыток калия (K+) в клетке.
Можно сказать так: ионные насосы мембраны создают разность концентраций ионов, или градиент (перепад) концентрации, между внутриклеточной и внеклеточной средой.
Именно из-за получившегося дефицита натрия в клетку теперь «полезет» этот самый натрий снаружи. Так всегда ведут себя вещества: они стремятся выравнять свою концентрацию во всём объёме раствора. И в то же время в клетке получился избыток ионов калия по сравнению с наружной средой. Потому что насосы мембраны накачали его в клетку. И он стремится уравнять свою концентрацию внутри и снаружи, и поэтому стремится выйти из клетки.
Тут ещё важно понять, что ионы натрия и калия как бы «не замечают» друг друга, они реагируют только «на самих себя». Т.е. натрий реагирует на концентрацию натрия же, но «не обращает внимания» на то, сколько вокруг калия. И наоборот, калий реагирует только на концентрацию калия и «не замечает» натрий. Получается, что для понимания поведения ионов в клетке надо по-отдельности сравнивать концентрации ионов натрия и калия. Т.е. надо отдельно сравнить концентрацию по натрию внутри и снаружи клетки и отдельно - концентрацию калия внутри и снаружи клетки, но не имеет смысла сравнивать натрий с калием, как это часто делается в учебниках.
По закону выравнивания концентраций, который действует в растворах, натрий «хочет» снаружи войти в клетку. Но не может, так как мембрана в обычном состоянии плохо его пропускает. Его заходит немножко и клетка его опять тут же обменивает на наружный калий. Поэтому натрий в нейронах всегда в дефиците. А вот калий как раз может легко выходить из клетки наружу! В клетке его полно, и она его удержать не может. Так вот он и выходит наружу через особые белковые дырочки в мембране (ионные каналы).
А теперь – самое главное. Мы должны перейти от движения химических частиц к движению электрических зарядов.
Калий заряжен положительным зарядом, и поэтому он, когда выходит из клетки, выносит из неё не только себя, но и положительные заряды. На их месте в клетке остаются отрицательные заряды. Это и есть мембранный потенциал покоя.
Мембранный потенциал покоя – это дефицит положительных зарядов внутри клетки, образовавшийся за счёт утечки из клетки положительных ионов калия.
Потенциал покоя – отрицательный со стороны клетки и состоит как бы из двух частей.
1. Первая часть – это примерно –10мВ, которые получаются от неравносторонней работы мембранного насоса-обменника (ведь он больше выкачивает Na+, чем закачивает обратно с K+).
2. Вторая часть – это утекающий всё время из клетки калий, утаскивающий положительные заряды из клетки. Он дает большую часть мембранного потенциала, доводя его до –70 милливольт.
Калий перестанет выходить из клетки (точнее, его вход и выход сравняются) только при уровне электроотрицательности клетки в –90мВ. Но этому мешает постоянно подтекающий в клетку натрий, который тащит с собой свои положительные заряды. И в клетке поддерживается равновесное состояние на уровне –70мВ.
Так что всё дело в натрий-калиевом мембранном насосе-обменнике и последующем вытекании из клетки «лишнего» калия. За счёт потери положительных зарядов при этом вытекании внутри клетки нарастает электроотрицательность. Она-то и есть «мембранный потенциал покоя». Он измеряется внутри клетки и составляет обычно –70 мВ.
Локальный потенциал. Локальный потенциал (ЛП) – это местное нераспространяющееся подпороговое возбуждение, существующее в пределах от потенциала покоя (–70 мВ) до критического уровня деполяризации (–50 мВ).
В случае превышения критического уровня деполяризации локальный потенциал переходит в потенциал действия и порождает нервный импульс.
Критический уровень деполяризации (КУД) – это такой уровень электрического потенциала мембраны возбудимой клетки, от которого локальный потенциал переходит в потенциал действия. В основе этого явления лежит самонарастающее открытие потенциал-управляемых ионных каналов для натрия под действием нарастающей деполяризации.
КУД обычно составляет -50 мВ, но бывает разным у разных нейронов и может меняться при изменении возбудимости нейрона. Чем ближе КУД к потенциалу покоя (–70 мВ) и, наоборот, чем ближе потенциал покоя к КУД, тем более возбудимым является нейрон.
Важно понять то, что процесс рождения локального потенциала начинается с открытия ионных каналов. Открытие ионных каналов – это самое главное. Их нужно открыть для того, чтобы в клетку пошёл поток ионов и принёс в неё электрические заряды. Эти ионные электрические заряды как раз и вызывают смещение электрического потенциала мембраны вверх или вниз, т.е. локальный потенциал.
Если открываются ионные каналы для натрия (Na+), то в клетку вместе с ионами натрия попадают положительные заряды, и её потенциал смещается вверх в сторону нуля. Это – деполяризация (уменьшение электроотрицательности нервной клетки), и так рождается возбуждающий локальный потенциал. Можно сказать, что возбуждающие локальные потенциалы порождаются натриевыми ионными каналами, когда они открываются.
Образно можно сказать и так: «каналы открываются – потенциал рождается».
Если открываются ионные каналы для хлора (Cl–), то в клетку вместе с ионами хлора попадают отрицательные заряды, и её потенциал смещается вниз ниже потенциала покоя. Это гиперполяризация, и таким способом рождается тормозный локальный потенциал. Можно сказать, что тормозные локальные потенциалы порождаются хлорными ионными каналами.
Существует также ещё один механизм формирования тормозных локальных потенциалов – за счёт открытия дополнительных ионных каналов для калия (К+). В этом случае из клетки через них начинают выходить «лишние» порции ионов калия, они выносят положительные заряды и увеличивают электроотрицательность клетки, т.е. вызывают её гиперполяризацию. Таким образом, можно сказать, что тормозные локальные потенциалы порождаются дополнительными калиевыми ионными каналами.
Как видно, всё очень просто, главное – открыть нужные ионные каналы. Стимул-управляемые ионные каналы открываются раздражителем (стимулом). Хемо-управляемые ионные каналы открываются медиатором (возбуждающим или тормозным). Точнее, в зависимости от того, на какие каналы (натриевые, калиевые или хлорные) будет действовать медиатор, таков будет и локальный потенциал – возбуждающий или тормозный. А медиатор как для возбуждающих локальных потенциалов, так и для тормозных, может быть одним и тем же, тут важно, какие ионные каналы будут связываться с ним своими молекулярными рецепторами – натриевые, калиевые или хлорные.
Виды локальных потенциалов:
1. Рецепторный. Возникает на рецепторных клетках или рецепторных окончаниях нейронов под действием стимула (раздражителя).
2. Генераторный. Возникает на сенсорных афферентных нейронах (на их нервных окончаниях, перехватах Ранвье или аксонных холмиках) под действием медиаторов, которые выделили сенсорные клеточные рецепторы. Генераторный потенциал превращается в потенциал действия и нервный импульс при достижении им критического уровня деполяризации, т.е. он генерирует (порождает) нервный импульс.
3. Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). Возникает на постсинаптической мембране синапса, т.е. он отражает передачу возбуждения от одного нейрона к другому. Он вызывает деполяризацию мембраны. Но обычно требуется целая серия ВПСП для того, чтобы родился нервный импульс, т.к. величины единичного ВПСП совершенно недостаточно для того, чтобы достичь критического уровня деполяризации.
4. Тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП). Возникает на постсинаптической мембране синапса, но только не возбуждает её, а, наоборот, тормозит. Соотвтетственно, эта постсинаптическая мембрана входит в состав тормозного синапса, а не возбуждающего. ТПСП вызывает гиперполяризацию мембраны, т.е. сдвигает потенциал покоя вниз от нуля. Используются два механизма создания ТПСП: 1) «хлорный» – открытие ионных каналов для хлора (Cl–), через которые в клетку входят ионы хлора и увеличивают её отрицательность, 2) «калиевый» – открытие ионных каналов для калия (К+), через которые выходят ионы калия, что также увеличивает отрицательность в клетке.
5. Пейсмекерные потенциалы – это эндогенные близкие к синусоидальным периодические колебания мембранного потенциала с частотой 0,1-10 Гц и амплитудой 5-10 мВ. Они генерируются нейронами-пейсмекерами (водителями ритма) самостоятельно, без внешнего воздействия. Пейсмекерные локальные потенциалы обеспечивают периодическое достижение нейроном-пейсмекером критического уровня деполяризации и спонтанную (самопроизвольную) генерацию им потенциалов действия и, соответственно, нервных импульсов.
Локальные потенциалы возникюет на сенсорных рецепторах, на рецепторных окончаниях нейронов и на постсинаптических мембранах синапсов.
Потенциал действия. Строго говоря, движущееся по нервам возбуждение представляет собой нервные импульсы, а не потенциалы действия.
Нервный импульс – это движущаяся волна изменений в состоянии мембраны, включающая в себя структурные изменения (открытие и закрытие ионных каналов), химические (изменяющиеся потоки ионов) и электрические (деполяризацию, позитивную поляризацию и реполяризацию).
Но в физиологической литературе в качестве синонима для нервного импульса принято использовать также и термин «потенциал действия». Хотя потенциал действия – это только электрический компонент нервного импульса.
Потенциал действия – это электрический компонент нервного импульса, характеризующий изменения электрического заряда (потенциала) на локальном участке мембраны во время прохождения через него нервного импульса (от –70 до +30 мВ и обратно).
Потенциалом действия называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения. По сути своей он действия представляет электрический разряд – быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.
Рис. Нервная клетка и потенциал действия
Схема распределения зарядов по разные стороны мембраны возбудимой клетки в спокойном состоянии (A) и при возникновении потенциала действия - деполяризация (B).
Нервные импульсы рождаются на нейронах всего в нескольких местах:
- аксонный холмик
- рецепторное окончание дендрита
- первый перехват Ранвье на дендрите (триггерная зона дендрита)
- постсинаптическая мембрана возбуждающего синапса.
1. Аксонный холмик – главный породитель нервных импульсов. Аксонный холмик – это самое начало аксона, там где он начинается на теле нейрона. Именно аксонный холмик является главным породителем нервных импульсов на нейроне. Во всех остальных местах вероятность рождения нервного импульса намного меньше. Дело в том, что у мембраны аксонного холмика повышена чувствительность к возбуждению и понижен критический уровень деполяризации (КУД) по сравнению с остальными участками мембраны. Поэтому, когда на мембране нейрона начинают суммироваться многочисленные возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП), которые возникают в самых разных местах на постсинаптических мембранах всех его синаптических контактов, то раньше всего КУД достигается именно на аксонном холмике. Там-то эта сверхпороговая для холмика деполяризация и открывает потенциал-чувствительные натриевые каналы, в которые входит поток ионов натрия, порождающий потенциал действия и нервный импульс.
Итак, аксонный холмик является интегративной зоной на мембране, он интергрирует все возникающие на нейроне локальные потенциалы (возбуждающие и тормозные) – и первый срабатывает на достижение КУД, порождая нервный импульс.
Важно также учесть следующий факт. От аксонного холмика нервный импульс разбегается по всей мембране своего нейрона: как по аксону к пресинаптическоим окончаниям, так и по дендритам к постсинаптическим «начинаниям». Все локальные потенциалы при этом снимаются с мембраны нейрона и со всех его синапсов, т.к. они «перебиваются» потенциалом действия от пробегающего по всей мембране нервного импульса.
2. Рецепторное окончание чувствительного (афферентного) нейрона. Если нейрон имеет рецепторное окончание, то на него может воздействовать адекватный раздражитель и порождать на этом окончании сначала генераторный потенциал, а затем и нервный импульс. Когда генераторный потенциал достигает КУД, то на этом окончании открываются потенциал-зависимые натриевые ионные каналы и рождается потенциал действия и нервный импульс. Нервный импульс бежит по дендриту к телу нейрона, а затем по его аксону к пресинаптическим окончаниям для передачи возбуждения на следующий нейрон. Так работают, к примеру, болевые рецепторы (ноцицепторы), являющиеся дендритными окончаниями болевых нейронов. Нервные импульсы в болевых нейронах вознимают именно на рецепторных окончаниях дендритов.
3. Первый перехват Ранвье на дендрите (триггерная зона дендрита). Локальные возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) на окончаниях дендрита, которые формируются в ответ на возбуждения, приходящие к дендриту через синапсы, суммируются на первом перехвате Ранвье этого дендрита, если он, конечно, миелинизирован. Там находится участок мембраны с повышенной чувствительностью к возбуждению (пониженным порогом), поэтому именно в этом участке легче всего преодолевается критический уровень деполяризации (КУД), после чего открываются потенциал-управляемые ионные каналы для натрия - и возникает потенциал действия (нервный импульс).
4. Постсинаптическая мембрана возбуждающего синапса. В редких случаях ВПСП на возбуждающем синапсе может быть настолько силён, что прямо там же достигает КУД и порождает нервный импульс. Но чаще это бывает возможно только в результате суммации нескольких ВПСП: или с нескольких соседних синапсов, сработавших одновременно (пространственная суммация), или за счёт того, что на данный синапс пришло несколько импульсов подряд (временная суммация).
Все процессы мембранных изменений, происходящих в ходе распространяющегося возбуждения можно рассматривать как единый электрохимический процесс распространяющегося динамичного возбуждения с трех сторон, на трех уровнях:
- Электрические явления – развитие потенциала действия.
- Химические явления – движение ионных потоков.
- Структурные явления – поведение ионных каналов.
Три стороны процесса распространяющегося возбуждения:
1. Потенциал действия (ПД). Потенциал действия – это скачкообразное изменение постоянного мембранного потенциала с отрицательной поляризации на положительную и обратно.
Обычно мембранный потенциал в нейронах ЦНС изменяется от –70 мВ до +30 мВ, а затем вновь возвращается к исходному состоянию, т.е. к –70 мВ. Как видим, понятие потенциала действия характеризуется через электрические явления на мембране.
На электрическом уровне изменения начинаются как смена поляризованного состояния мембраны на деполяризацию. Сначала деполяризация идет в виде локального возбуждающего потенциала. Вплоть до критического уровня деполяризации (примерно –50 мВ) это относительно простое линейное уменьшение электроотрицательности, пропорциональное силе воздействующего раздражителя. А вот потом начинается более крутая самоусиливающаяся деполяризация, она развивается не с постоянной скоростью, а с ускорением. Говоря образно, деполяризация так разгоняется, что перескакивает через нулевую отметку, не заметив этого, и даже переходит в положительную поляризацию. После достижения пика (обычно +30 мВ) начинается обратный процесс – реполяризация, т.е. восстановление отрицательной поляризации мембраны.
Кратко опишем электрические явления во время течения потенциала действия.
Восходящая ветвь графика:
- потенциал покоя – исходное обычное поляризованное электроотрицательное состояние мембраны (–70 мВ);
- нарастающий локальный потенциал – пропорциональная раздражителю деполяризация;
- критический уровень деполяризации (–50 мВ) – резкое ускорение деполяризации (за счет самораскрытия натриевых каналов), с этой точки начинается спайк – высокоамплитудная часть потенциала действия;
- самоусиливающаяся круто нарастающая деполяризация;
- переход нулевой отметки (0 мВ) – смена полярности мембраны;
- «овершут» – положительная поляризация (инверсия, или реверсия, заряда мембраны);
- пик (+30 мВ) – вершина процесса изменения полярности мембраны, вершина потенциала действия.
Нисходящая ветвь графика:
- реполяризация – восстановление прежней электроотрицательности мембраны;
- переход нулевой отметки (0 мВ) – обратная смена полярности мембраны на прежнюю, отрицательную;
- переход критического уровня деполяризации (–50 мВ) – прекращение фазы относительной рефрактерности (невозбудимости) и возврат возбудимости;
- следовые процессы (следовая деполяризация или следовая гиперполяризация);
- восстановление потенциала покоя – норма (–70 мВ).
Итак, сначала – деполяризация, затем – реполяризация. Сначала – утрата электроотрицательности, затем – восстановление электроотрицательности.
2. Ионные потоки. Образно можно сказать, что заряженные ионы – это и есть создатели электрических потенциалов в нервных клетках. Для многих людей звучит странно утверждение, что вода не проводит электрический ток. Но на самом деле это так. Сама по себе вода является диэлектриком, а не проводником. В воде электрический ток обеспечивают не электроны, как в металлических проводах, а заряженные ионы: положительные катионы и отрицательные анионы. В живых клетках основную «электрическую работу» выполняют катионы, так как они более подвижны. Электрические токи в клетках – это потоки ионов.
Итак, важно осознать, что все электрические токи, которые идут через мембрану, являются ионными потоками. Привычного нам из физики тока в виде потока электронов в клетках, как в водных системах, просто нет. Ссылки на потоки электронов будут ошибкой.
На химическом уровне мы, описывая распространяющееся возбуждение, должны рассмотреть, как изменяются характеристики ионных потоков, идущих через мембрану. Главное в этом процессе то, что при деполяризации резко усиливается поток ионов натрия внутрь клетки, а затем он внезапно прекращается на спайке потенциала действия. Входящий поток натрия как раз и вызывает деполяризацию, так как ионы натрия приносят с собой положительные заряды в клетку (чем и снижают электроотрицательность). Затем, после спайка, значительно нарастает выходящий наружу поток ионов калия, что вызывает реполяризацию. Ведь калий, как мы неоднократно говорили, выносит с собой из клетки положительные заряды. Отрицательные заряды остаются внутри клетки в большинстве, и за счет этого усиливается электроотрицательность. Это и есть восстановление поляризации за счет выходящего потока ионов калия. Заметим, что выходящий поток ионов калия возникает практически одновременно с появлением натриевого потока, но нарастает медленно и длится в 10 раз дольше. Несмотря на продолжительность калиевого потока самих ионов расходуется немного – всего одна миллионная доля от запаса калия в клетке (0,000001 часть).
Подведем итоги. Восходящая ветвь графика потенциала действия образуется за счет входа в клетку ионов натрия, а нисходящая – за счет выхода из клетки ионов калия.
3. Ионные каналы. Все три стороны процесса возбуждения – электрическая, химическая и структурная – необходимы для понимания его сущности. Но все-таки все начинается с работы ионных каналов. Именно состояние ионных каналов предопределяет поведение ионов, а поведение ионов в свою очередь сопровождается электрическими явлениями. Начинают процесс возбуждения натриевые каналы.
На молекулярно-структурном уровне происходит открытие мембранных натриевых каналов. Сначала этот процесс идет пропорционально силе внешнего воздействия, а затем становится просто «неудержимым» и массовым. Открытие каналов обеспечивает вход натрия в клетку и вызывает деполяризацию. Затем, примерно через 2-5 миллисекунд, происходит их автоматическое закрытие. Это закрытие каналов резко обрывает движение ионов натрия внутрь клетки, и, следовательно, обрывает нарастание электрического потенциала. Рост потенциала прекращается, и на графике мы видим спайк. Это вершина кривой на графике, дальше процесс пойдет уже в обратном направлении. Конечно, очень интересно разобраться в том, что натриевые каналы имеют двое ворот, и открываются они активационными воротами, а закрываются инактивационными, но это следует обсуждать ранее, в теме «Возбуждение». Мы на этом останавливаться не будем.
Параллельно в открытием натриевых каналов с небольшим отставанием во времени идет нарастающее открытие калиевых каналов. Они медлительные по сравнению с натриевыми. Открытие дополнительных калиевых каналов усиливает выход положительных ионов калия из клетки. Выход калия противодействует «натриевой» деполяризации и вызывает восстановление полярности (восстановление электроотрицательности). Но натриевые каналы опережают калиевые, они срабатывают примерно в 10 раз быстрее. Поэтому входящий поток положительных ионов натрия в клетку опережает компенсирующий выход ионов калия. И поэтому деполяризация развивается опережающими темпами по сравнению с противодействующей ей поляризацией, вызванной утечкой ионов калия. Вот почему, пока натриевые каналы не закроются, восстановление поляризации не начнется.
Для того чтобы перейти к пониманию смысла динамичного процесса возбуждения, т.е. к пониманию его распространения вдоль мембраны, надо представить себе, что описанные нами выше процессы захватывают сначала ближайшие, а затем все новые, все более и более отдаленные участки мембраны, пока не пробегут по всей мембране полностью. Если вы видели «живую волну», которую устраивают болельщики на стадионе за счет вставания и приседания, то вам легко будет представить себе мембранную волну возбуждения, которая образуется за счет последовательного протекания в соседних участках трансмембранных ионных токов.
В качестве аналогии или метафоры, которая может наглядно передать смысл распространяющегося возбуждения, можно взять обрае пожара. Действительно, распространяющееся возбуждение похоже на лесной пожар, когда горящие деревья остаются на месте, а фронт огня распространяется и уходит все дальше и дальше во все стороны от очага возгорания.
Как же в этой метафоре будет выглядеть явление торможения?
Ответ очевиден – торможение будет выглядеть как тушение пожара, как уменьшение горения и затухание огня. Но если огонь распространяется сам по себе, то тушение требует усилий. Из потушенного участка процесс тушения сам по себе не пойдет во все стороны.
Существует три варианта борьбы с пожаром: (1) либо надо ждать, когда все сгорит и огонь истощит все горючие запасы, (2) либо надо поливать водой горящие участки, чтобы они погасли, (3) либо надо поливать заранее ближайшие нетронутые огнем участки, чтобы они не загорелись.
Можно ли «погасить» волну распространяющегося возбуждения?
Вряд ли нервная клетка способна «погасить» этот начавшийся «пожар» возбуждения. Поэтому первый способ подходит только для искусственного вмешательства в работу нейронов (например, в лечебных целях). Но вот «залить водичкой» некоторые участки и поставить блок распространению возбуждения, оказывается, вполне возможно.
Главную роль в возбуждении нейрона играют ионные каналы мембраны . Эти каналы бывают двух видов:
1. Одни (первый вид) работают постоянно и откачивают из нейрона ионы натрия и накачивают в цитоплазму ионы калия (насосные каналы). В клетке создается разность концентраций ионов: концентрация ионов калия внутри клетки примерно в 30 раз превышает концентрацию ионов калия вне клетки (30:1). Концентрация ионов натрия внутри клетки наоборот меньше примерно в 50 раз, чем концентрация ионов натрия снаружи клетки (1:50). Эту разницу имеют мембраны любой клетки, не только нервной. В результате между цитоплазмой и внешней средой на мембране клетки возникает потенциал: цитоплазма клетки заряжается отрицательно на величину около 70мВ относительно внешней клетки. Для создания такого потенциала требуются только ионы калия (калиевый потенциал).
2. Нейрон, в отличие от других клеток, способен возбуждаться (генерировать потенциал действия). Основная роль в возбуждении принадлежит другому типу ионных каналов (второй тип), при открытии которых ионы натрия устремляются в клетку, а ионы калия через открытые калиевые каналы начинают выходить из клетки. Для каждого типа ионов (натрия и калия) имеется свой собственный тип ионного канала. Движение ионов по этим каналам происходит по концентрационным градиентам, т.е. из места высокой концентрации в место с более низкой концентрацией.
Рассмотрим химические основы возникновения и поддержания биоэлектрических потенциалов (потенциала покоя и потенциала действия).
Большинство исследователей придерживаются мнения, что явления электрической поляризации клетки обусловлены неравномерным распределением ионов К+ и Na+по обе стороны клеточной мембраны. Мембрана обладает избирательной проницаемостью: большей для ионов К+ и значительно меньшей для ионов Na+. Кроме того, в нервных клетках существует механизм, который поддерживает внутриклеточное содержание натрия на низком уровне вопреки градиенту концентрации. Этот механизм получил название натриевого насоса.
В состоянии покоя внутренняя сторона клеточной мембраны заряжена электроотрицательно по отношению к наружной поверхности. Объясняется это тем, что количество ионов Na+, выкачиваемых из клетки с помощью натриевого насоса, не вполне точно уравновешивается поступлением в клетку ионов К+. В связи с этим часть катионов натрия удерживается внутренним слоем противоионов (анионов) на наружной поверхности клеточной мембраны. Таким образом, на мембранах, ограничивающих нервные клетки, поддерживается разность электрических потенциалов (трансмембранная разность электрических потенциалов); эти мембраны электрически возбудимы.
При определенных условиях резко повышается проницаемость мембраны для ионов Na+. При возбуждении, вызванном тем или иным агентом, селективно изменяется проницаемость мембраны нервной клетки (аксона): увеличивается избирательно для ионов Na+(примерно в 500 раз) и остается без изменения для ионов К+. В результате ионы Na+устремляются внутрь клетки. Компенсирующий поток ионов К+, направляющийся из клетки, несколько запаздывает. Это приводит к возникновению отрицательного заряда на наружной поверхности клеточной мембраны. Внутренняя поверхность мембраны приобретает положительный заряд; происходит перезарядка клеточной мембраны (в частности, мембраны аксона, т.е. нервного волокна), и возникает потенциал действия, или спайк. Продолжительность спайка не превышает 1 мс. Он имеет восходящую фазу, пик и нисходящую фазу. Нисходящая фаза (падение потенциала) связана с нарастающим преобладанием выхода ионов К+ над поступлением ионов Na+– мембранный потенциал возвращается к норме. После проведения импульса в клетке восстанавливается состояние покоя. В этот период ионы Na+, вошедшие в нейрон при возбуждении, заменяются на ионы К+. Этот переход происходит против градиента концентрации, так как ионов Na+во внешней среде, окружающей нейроны, намного больше, чем в клетке после момента ее возбуждения. Переход ионов Na+против градиента концентрации, как отмечалось, осуществляется с помощью натриевого насоса, для работы которого необходима энергия АТФ. В конце концов все это приводит к восстановлению исходной концентрации катионов калия и натрия внутри клетки (аксона), и нерв готов для получения следующего импульса возбуждения.
Потенциал покоя – разность зарядов снаружи и внутри мембраны. При покое концентрация K+ больше в клетке, а Na+ – во внешней среде. В мембране есть Na+- и K+-каналы. Все натриевые каналы в покое закрыты. Так как снаружи натрия больше, чем калия внутри, цитоплазма внутри нейрона заряжена отрицательно относительно межклеточной жидкости. Открыты часть калиевых каналов, но тока через них нет, так как ионы калия удерживаются возникшим из-за неравномерного распределения заряда электрическим полем, которое остаётся постоянным, пока отсутствует ток ионов натрия через мембрану. При возбуждении на некотором участке открываются потенциалзависимые натриевые каналы. Натрий устремляется в клетку, так как его наружная концентрация больше внутренней, да и внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, что притягивает положительно заряженные ионы. Заряд внутренней стороны мембраны очень быстро становится положительным. Этот процесс называется деполяризацией. Натрий будет входить в клетку до определённого изменения потенциала. Из-за большого тока натрия по градиенту концентрации и маленького тока калия мембрана быстро меняет потенциал. После этого потенциалзависимые натривые каналы закрываются и не могут открывается некоторое время. Этот период называется рефрактерностью. В то же время, как закрылись натриевые каналы, открываются дополнительные потенциалзависимые калиевые каналы, ток калия наружу резко увеличивается и потенциал возвращается даже чуть меньше чем до открытия натриевых каналов. Натриевые каналы некоторое время закрыты и не могут более открываться. Это время называется временем рефрактерности. За этот период концентрация по обе стороны мембраны возвращается примерно к начальной, засчёт диффузии и работы специального фермента – Na+/K+ ATP-азы, которая перекачивает ионы, за счёт расщипления ATP. Весь этот процесс называется нервный импульс или спайк. Нетрудно понять, что подобные скачки потенциала будут вызывать открытие и соседних каналов, приводящему к волнообразному «движению» спайка. А период рефрактерности не позволит распространяться сигналу в обратную сторону.
Потенциалы действия могут различаться по своим параметрам в зависимости от типа клетки и даже на различных участках мембраны одной и той же клетки. Наиболее характерный пример различий: потенциал действия сердечной мышцы и потенциал действия большинства нейронов. Тем не менее, в основе любого потенциала действия лежат следующие явления:
1. Мембрана живой клетки поляризована – её внутренняя поверхность заряжена отрицательно по отношению к внешней благодаря тому, что в растворе возле её внешней поверхности находится большее количество положительно заряженных частиц (катионов), а возле внутренней поверхности – большее количество отрицательно заряженных частиц (анионов).
2. Мембрана обладает избирательной проницаемостью – её проницаемость для различных частиц (атомов или молекул) зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств.
3. Мембрана возбудимой клетки способна быстро менять свою проницаемость для определённого вида катионов, вызывая переход положительного заряда с внешней стороны на внутреннюю.
Первые два свойства характерны для всех живых клеток. Третье же является особенностью клеток возбудимых тканей и причиной, по которой их мембраны способны генерировать и проводить потенциалы действия.
Фазы потенциала действия
- Предспайк – процесс медленной деполяризации (уменьшение электроотрицательности нервной клетки) мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).
- Пиковый потенциал, или спайк, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).
- Отрицательный следовой потенциал – от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).
- Положительный следовой потенциал – увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).
Поляризация мембраны живой клетки обусловлена отличием ионного состава с её внутренней и наружной стороны. Когда клетка находится в спокойном (невозбуждённом) состоянии, ионы по разные стороны мембраны создают относительно стабильную разность потенциалов, называемую потенциалом покоя. Если ввести внутрь живой клетки электрод и измерить мембранный потенциал покоя, он будет иметь отрицательное значение (порядка –70 – –90 мВ). Это объясняется тем, что суммарный заряд на внутренней стороне мембраны существенно меньше, чем на внешней, хотя с обеих сторон содержатся и катионы, и анионы. Снаружи – на порядок больше ионов натрия, кальция и хлора, внутри – ионов калия и отрицательно заряженных белковых молекул, аминокислот, органических кислот, фосфатов, сульфатов. Надо понимать, что речь идёт именно о заряде поверхности мембраны – в целом среда и внутри, и снаружи клетки заряжена нейтрально.
Потенциал мембраны может изменяться под действием различных стимулов. Искусственным стимулом может служить электрический ток, подаваемый на внешнюю или внутреннюю сторону мембраны через электрод. В естественных условиях стимулом часто служит химический сигнал от соседних клеток, поступающий через синапс или путём диффузной передачи через межклеточную среду. Смещение мембранного потенциала может происходить в отрицательную (гиперполяризация) или положительную (деполяризация) сторону.
В нервной ткани потенциал действия, как правило, возникает при деполяризации – если деполяризация мембраны нейрона достигает некоторого порогового уровня или превышает его, клетка возбуждается, и от её тела к аксонам и дендритам распространяется волна электрического сигнала. (В реальных условиях на теле нейрона обычно возникают постсинаптические потенциалы, которые сильно отличаются от потенциала действия по своей природе – например, они не подчиняются принципу «всё или ничего». Эти потенциалы преобразуются в потенциал действия на особом участке мембраны – аксонном холмике, так что потенциал действия не распространяется на дендриты).
Это обусловлено тем, что на мембране клетки находятся ионные каналы – белковые молекулы, образующие в мембране поры, через которые ионы могут проходить с внутренней стороны мембраны на наружную и наоборот. Большинство каналов ионоспецифичны – натриевый канал пропускает практически только ионы натрия и не пропускает другие (это явление называют селективностью). Мембрана клеток возбудимых тканей (нервной и мышечной) содержит большое количество потенциал-зависимых ионных каналов, способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Деполяризация мембраны в первую очередь вызывает открытие потенциал-зависимых натриевых каналов. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны. Движущая сила в данном случае обеспечивается градиентом концентрации (с внешней стороны мембраны находится намного больше положительно заряженных ионов натрия, чем внутри клетки) и отрицательным зарядом внутренней стороны мембраны). Поток ионов натрия вызывает ещё большее и очень быстрое изменение мембранного потенциала, которое и называют потенциалом действия (в специальной литературе обозначается ПД ).
Согласно закону «всё-или-ничего» мембрана клетки возбудимой ткани либо не отвечает на стимул совсем, либо отвечает с максимально возможной для неё на данный момент силой. То есть, если стимул слишком слаб и порог не достигнут, потенциал действия не возникает совсем; в то же время, пороговый стимул вызовет потенциал действия такой же амплитуды, как и стимул, превышающий пороговый. Это отнюдь не означает, что амплитуда потенциала действия всегда одинакова – один и тот же участок мембраны, находясь в разных состояниях, может генерировать потенциалы действия разной амплитуды.
В покоящемся нейроне натриевые каналы мембраны закрыты (при этом потенциал покоя 70мВ и отрицательность в цитоплазме). Если потенциал мембраны деполяризовать (уменьшить поляризацию мембраны) примерно на 10 мВ, натриевый ионный канал открывается. Причем в канале имеется своеобразная заслонка, которая реагирует на потенциал мембраны, открывая этот канал при достижении потенциала определенной величины (потенциалозависимый канал).
Как только канал открывается, в цитоплазму нейрона из межклеточной среды устремляются ионы натрия, которых там примерно в 50 раз больше, чем в цитоплазме (физический закон – движение по концентрационному градиенту). Таким образом, в нейрон поступают ионы натрия, которые заряжены положительно. Входящий через мембрану ток ионов натрия будет смещать потенциал мембраны в сторону деполяризации, то есть уменьшать поляризацию мембраны. Потенциал на мембране будет увеличиваться, открывая все большее количество натриевых каналов. Но этот потенциал останавливает свой рост как только достигает значения +55 мВ. Этот потенциал соответствует присутствующим в нейроне и вне его концентрациям ионов натрия (натриевый равновесный потенциал). (В покое -70 мВ, абсолютная амплитуда около 125 мВ).
Таким образом, в покое клетка ведет себя как «калиевый электрод», а при возбуждении – «как натриевый электрод». Однако после того как потенциал на мембране достигнет своего максимального значения +55 мВ, натриевый ионный канал со стороны, обращенный в цитоплазму, закупоривается специальной белковой молекулой (рецептором) через 0,5 – 1 мс и не зависит от потенциала на мембране. Мембрана становится непроницаемой для натриевых ионов. Для того чтобы потенциал мембраны вернулся к исходному состоянию, т.е. состоянию покоя, необходимо, чтобы из клетки выходил ток положительных частиц, то есть ионов калия. Они начинают выходить через открытые калиевые каналы. (В клетке в состоянии покоя накапливаются ионы калия, поэтому при открывании калиевых каналов эти ионы покидают нейрон, возвращая мембранный потенциал к исходному уровню (уровню покоя). Нейрон возвращается к состоянию покоя (-70 мВ) и нейрон готовится к следующему акту возбуждения.
После возбуждения нейрон на некоторое время оказывается в состоянии абсолютной рефрактерности, когда никакие сигналы не могут его возбудить снова, затем входит в фазу относительной рефрактерности, когда его могут возбудить исключительно сильные сигналы (при этом амплитуда ПД будет ниже, чем обычно). Рефрактерный период возникает из-за инактивации быстрого натриевого тока, то есть инактивации натриевых каналов.
1. Барьерная (защищает клетку, поддерживает ее форму)
2. Транспортная (определяет состав веществ внутри клетки)
3. Рецепторная (определяет специальную чувствительность данной клетки к определенной группе химических веществ)
4. Электрическая (обеспечивает создание разности потенциалов между внутренней и внешней поверхностью мембраны).
Отличительные свойства нервной клетки:
Возбудимость (способность генерировать потенциал действия при раздражении)
Проводимость (способность проводить и передавать возбуждение другим клеткам).
Электрические процессы в нейронах
Природа мембранного потенциала (потенциала покоя)
Потенциал покоя формируется благодаря пассивному (по градиентам) выходу ионов калия из клетки. В результате: -на наружной поверхности мембраны возникает избыток положительно заряженных ионов; внутри клетки остаются отрицательно заряженные крупные молекулы.
Механизм возбуждения нейрона:
1. Начальное изменение потенциала мембраны;
2. раскрывается часть натриевых каналов;
3. повышается проницаемость мембраны для натрия;
4. перемещение натрия в клетку по электрическому и химическому градиентам.
5. Рост числа положительны ионов внутри клетки;
6. Локальная деполяризация мембраны. (если деполяризация незначительна, то все сначала)
Если деполяризация достигает критической величины:
7. Раскрываются все натриевые каналы;
8. Происходит резкая деполяризация мембраны - потенциал действия (от -90 мВ до +30 мВ)
9. Натриевые каналы захлопываются и раскрываются калиевые каналы (через 0,5 мс).
10. Прекращается диффузия натрия, и начинается выход калия, который вытягивает электрический градиент.
11. Восстановление мембранного потенциала до исходных значений – реполяризация.
12. Прекращение выхода калия из клетки за счет изменения электрического градиента.
13. Включается натрий-калиевый насос.
14. Восстановление исходного ионного баланса (калий – внутри клетки, натрий – снаружи).
Ионный насос – мембранная транспортная система, обеспечивающая перенос ионов против электрохимического градиента, то есть с затратой энергии.
[рис. Потенциал действия]
Закон «все или ничего»
Если деполяризация мембраны достигает критической (пороговой) величины, то формируется потенциал действия. Если деполяризаця мембраны не достигает пороговой величины, то потенциал действия не формируется.
Преимущества сальтаторного проведения:
Экономичность (площадь перехвата менее 1% мембраны аксона)
Скорость (поле распространяется на большее расстояние).
Структурные элементы синапса:
1. Пресинаптическая мембрана (мембрана аксона, передающего нейрона)
2. Синаптическая щель (межклеточная жидкость)
3. Постсинаптическая мембрана (мембрана дендрита или сомы принимающего нейрона)
Механизм синаптической передачи.
1. Приход потенциала действия в синаптическое окончание аксона;
2. Раскрытие кальциевых каналов;
3. Повышение проницаемости мембраны для кальция;
4. Перемещение ионов кальция в клетку;
5. Деполяризация пресинаптической мембраны;
6. Выброс медиаторов в синаптическую щель (чем больше деполяризация – тем больше выброс).
7. Соединение медиатора со специфическими рецепторами постсинаптической мембраны;
8. Изменение потенциала постсинаптической мембраны;
9. Раскрытие ионных каналов;
10. Если увеличение проницаемости ионов натрия приводит к формированию ВПСП (возбудительный постинаптический потенциал), если калия и хлора – ТПСП.
Проведение в синапсах: одностороннее, с задержкой.
Свойства постсинаптических потенциалов:
Градуальность (амплитуда потенциалов переменная и отражает частоту потенциалов действия, поступающих на синапс)
Локальность (ВПСП и ТПСП распространяются по нейрону с затуханием).
Способность к суммации (суммируются потенциалы, близкорасположенные в пространстве и времени).
Функции нейроглии:
Защитная
Изолирующая
Обменная.
Функции глиальных клеток:
1. Астроциты: формируют каркас для нейронов; обеспечивают метаболизм; регенерация нерва.
2. Олигодендроциты: миелиновые оболочки аксонов.
Функционирование спинного мозга
Спинной мозг – это главный исполнительный отдел ЦНС. В его задачи входит передача команд на мышцы и железы, а также регуляция работы внутренних органов.
Корешки спинного мозга делятся на задние и передние.
Задние – чувствительные– афферентные. Состоят из аксонов клеток спинальных ганглиев. По ним предается информация от кожных рецепторов, проприорецепторов, висцерорецепторов.
Передние – двигательные – эфферентные. Состоят из аксоны мотонейронов. Направляются к мышцам к железам.
Каждый сегмент спинного мозга иннервирует три метамера тела.
Задние рога спинного мозга состоят из чувствительных (афферентых) нейронов, интернейронов (вставочных нейронв), а также клеток желатинозной субстанции (тормозные нейроны).
Передние рога состоят из мотонейронов.
Функциональные отделы серого вещества спинного мозга [рисунок]
По восходящим путям спинного мозга передаются:
- сигналы от рецепторов мышц и сухожилий (проприорецепторы) по пучкам Голяя и Бурдаха, по спиномозжечковым путям Говерса и Флексига.
Сигналы от болевых и тепературных рецепторов по латеральному спиноталамическому тракту.
Сигналы от тактильных рецепторов по вентральному спиноталамическому пути и частичто по пучкам Голля и Бурдаха.
Нисходящие пути спинного мозга. Включают в себя две системы: пирамидную и экстарпирамидную систему.
По пирамидной системе передается команды на выполнение целенаправленных движений, по кортикоспинальным путям.
По экстарпирамидной системе передаются команды поддержания позы и равновесия по ретикулоспинальным, руброспинальным, тектоспинальным, вестибулоспинальным и оливоспинальным путям.
Спинной мозг реализует две основных функции: рефлекторная и проводниковая.
Рефлекторная функция спинного мозга
Рефлекс – это стереотипная реакция организма на раздражение рецепторов, осуществляемая при участии нервной системы.
Дуга спинального соматического рефлекса [рисунок]
Фунзкциональной единицей спинного мозга является цепь, объединяющая чувствительный нейрон с мотонейроном.
Рефлекторная дейятельность спинного мозга обеспечиваеется :
1. передачей возбуждения с чувствительных нейронов на моторные нейроны.
2. Регуляцией передачи возбуждения в рефлекторной дуге.
Регуляция рефлексов осуществляется через организованное торможения.
1. Внутрисементарное торможение – скоординированная работа флексоров и экстензоров (сгибатели и разгибатели).
2. Межсегментарное тороможение – скоординировання работа мыщечных групп.
3. Эфферентное (центральное) торможение внутриспинальных тормозных связей – сила и скорость рефлекторной реакции.
Реализация рефлекторной функции:
1. обработка афферентных сигналов
2. обработка команд от управляющих структур
3. Формирование моторных команд
4. Формирование обратной афферентации
Рефлексы спинного мозга:
1. Мышечные (движения, поза).
2. Кожные (сосудистые, потоотделительные…)
3. Висцеральные (мышцы груди, спины…)
Спинальные рефлексы:
1. Простые (реализуются одним сегментом)
2. Сложные (реализуются несколькими сегментами)
Спинной мозг – это центр элементарных двигательных программ; центр врожденных двигательных автоматизмов;
Проводниковая функция спинного мозга
Заключается в передаче восходящих и нисходящих потоков информации. Восходящая информация – о положении конечностей, туловища, головы. Нисходящая информация содержит в себе команды на движения, поддержание позы и равновесия, регулирующие влияния (на рефлекторные дуги).
Вегетативная нервная система спинного мозга
Вегетативная нервная система – это та часть нервной системы, которая иннервирует внутренние органы, сосуды, железы и мышцы.
Состоит из двух отделов:
Симпатической системы (локализована в спинном мозге - в боговых рогах)
Парасимпатической системы (локализована в стволе головного мозга и в крестцовом отделе спинного мозга – в боковых рогах)
Центры симпатической НС
1. Грудной отдел спинного мозга (боковые рога)
2. Поясничные отдел спинного мозга (боковые рога)
Центры парасимпатической НС, находящиеся в спинном мозге, находятся в крестцовом отделе спинного мозга (боковые рога).