В возбудимой ткани невозможно вызвать новый потенциал действия, пока мембрана возбужденного волокна остается деполяризованной в связи с развитием предыдущего потенциала действия. Это связано с тем, что вскоре после возникновения потенциала действия натриевые каналы (или кальциевые каналы, или оба типа каналов) инактивируются, и возбуждающий сигнал любой силы, действующий на ткань в этот момент, не может открыть инактивационные ворота. Единственным условием для их повторного открытия является возврат мембранного потенциала к исходному или близкому к исходному уровню. Затем в течение небольшой доли секунды инактивационные ворота каналов открываются, и становится возможным развитие нового потенциала действия.
Период, в течение которого нельзя вызвать второй потенциал действия даже сильным стимулом, называют абсолютным рефрактерным периодом. Для крупных миелинизированных нервных волокон этот период составляет примерно 1/2500 сек. Легко рассчитать, что такое волокно может максимально передавать около 2500 имп/сек.
Кроме факторов, повышающих возбудимость нервного волокна, существуют так называемые мембраностабилизирующие факторы, способные снижать возбудимость. Например, высокая концентрация ионов кальция во внеклеточной жидкости уменьшает проницаемость мембраны для ионов натрия, снижая возбудимость. В связи с этим ионы кальция называют стабилизатором.
Местные анестетики. К наиболее важным стабилизаторам относят многие вещества, используемые в клинике в качестве местных анестетиков, в состав которых входят прокаин и тетракаин. Большинство из них действуют непосредственно на активационные ворота натриевых каналов, затрудняя их открытие, что сопровождается снижением возбудимости мембран. После снижения возбудимости до уровня, при котором отношение амплитуды потенциала действия к порогу возбуждения (называемое фактором надежности) опускается ниже 1,0, импульсы по анестезированному нерву не проходят.
Катодно-лучевой осциллоскоп для регистрации быстрых потенциалов действия.
Катодный осциллограф. Ранее в этой главе мы отмечали, что изменения мембранного потенциала во время генерации потенциала действия происходят чрезвычайно быстро. Действительно, развитие большей части комплекса потенциала действия в крупных нервных волокнах занимает менее 1/1000 сек. На некоторых рисунках данной главы показан электроизмерительный прибор, регистрирующий эти изменения потенциалов. Однако ясно, что реакции любого прибора, способного регистрировать потенциалы действия, должны быть чрезвычайно быстрыми. Для практических целей единственным широко используемым прибором, способным точно реагировать на быстрые изменения мембранного потенциала, является катодно-лучевой осциллоскоп.
На рисунке показаны основные компоненты катодно-лучевого осциллоскопа. Катодно-лучевая трубка состоит из электронной пушки и флюоресцентного экрана, который «бомбардируется» электронами. При ударе электронов о поверхность экрана флюоресцентный материал светится. Если луч электронов перемещается по экрану, вместе с ним движется яркое пятно света, оставляя на экране флюоресцирующую линию.
Кроме электронной пушки и флюоресцентной поверхности, катодно-лучевая трубка снабжена двумя парами электрически заряженных пластин. Одна пара расположена с обеих сторон от электронного луча, а другая — сверху и снизу. Соответствующие электронные усилители изменяют напряжение на этих пластинах таким образом, что электронный луч отклоняется вверх или вниз в ответ на электрические сигналы, приходящие от регистрирующих электродов. Под влиянием внутреннего электронного блока осциллоскопа луч электронов перемещается по экрану горизонтально с постоянной скоростью. При этом регистрируется кривая, которую видно на экране катодно-лучевой трубки рисунка, с временной разверткой по горизонтали и изменениями потенциалов, регистрируемых отводящими электродами, по вертикали.
На левом конце кривой виден небольшой артефакт стимула, связанный с электрическим стимулом, который используется для вызова потенциала действия, справа на кривой — сам потенциал действия.
Видео физиология возбуждения тканей (потенциал покоя, потенциал действия) — профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Читайте также: Строение проводящих тканей цветковых растений
Спр. материал / ВОЗБУДИМЫЕ ТКАНИ / 15. ПОРОГОВЫЕ ПОТЕНЦИАЛ, СИЛА, ВРЕМЯ
4.6. ОЦЕНКА ВОЗБУДИМОСТИ КЛЕТКИ. АККОМОДАЦИЯ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В МЕДИЦИНЕ
Возбудимость клетки изменяется не только в процессе возбуждения, но и при изменении химического состава внеклеточной жидкости, например, в результате длительной высокой активности клеток, отклонения показателей внутренней среды в патологических случаях. При снижении концентрации ионов Na + вне клетки этот ион в меньшем количестве входит в клетку, в результате чего снижается ее возбудимость из-за гиперполяризации клетки. Это наблюдается, например, при бессолевой диете, при этом может развиваться мышечная слабость. Повышение внеклеточной концентрации Na + вызывает противоположный эффект, например усиление тонуса сосудов вследствие возрастания возбудимости нервно-мышечных элементов. Возбудимость различных тканей сама по себе различна — у нервных клеток выше, чем у мышечных, что используется в клинической практике, например, при выяснении причины двигательных нарушений. Показателями состояния возбудимости ткани являются пороговый потенциал, пороговая сила, пороговое время.
А. Пороговый потенциал (AV) — это минимальная величина, на которую надо уменьшить мембранный потенциал покоя, чтобы вызвать возбуждение (ПД). AV и возбудимость клеток находятся в обратных соотношениях: небольшая величина AV свидетельствует о высокой возбудимости клетки. Если, например, уменьшение мембранного потенциала (частичная деполяризация) на 5—
10 мВ вызывает возникновение ПД, то возбудимость клетки высока. Напротив, большой AV (30—40 мВ) свидетельствует о более низкой возбудимости клетки. Однако во всех случаях ПД возникает только при достижении критического уровня деполяризации клеточной мембраны (Екр).
Критический уровень деполяризации Екр, (КУД) — это минимальный уровень деполяризации клеточной мембраны, при которой возникает ПД. Дальнейшее раздражение клетки и искусственное снижение ПП ничего не изменяют в процессе возникновения ПД, поскольку деполяризация клетки, достигнув критического уровня, сама по себе ведет к открытию потенциалзависимых т-ворот Na-каналов, в результате чего Na + устремляется в клетку, ускоряя деполяризацию независимо от действия раздражителя. Критический уровень деполяризации клеточной мембраны обычно составляет около —50 мВ. При величине ПП, например, —60 мВ (Е0) деполяризация — уменьшение ПП на 10 мВ приведет к достижению Екр (—50 мВ) и возникнет ПД. Если ПП равен —90 мВ, то для вызова ПД надо снизить ПП на 40 мВ. В последнем случае возбудимость клетки значительно ниже.
Соотношения между AV, Е0 и Е™ показаны на рис. 4.7 — наибольшая возбудимость при наименьшем AV, наименьшая возбудимость при наибольшем AV. AV мало зависит от критического уровня деполяризации (Екр), но существенно — от ПП клетки (Е0), поскольку Екр, как отмечалось выше, — величина довольно постоянная.
Величина ПП изменяется в различных условиях деятельности клетки, вследствие этого колеблется и ее возбудимость, например при изменении концентрации Са 2+ , рН среды. Когда концентрация Са 2+ в среде повышается, клетка становится менее возбудимой, поскольку возрастает мембранный потенциал, вследствие чего Е0 удаляется от Екр, а когда концентрация Са 2+ снижается, возбудимость клетки возрастает, так как мембранный потенциал уменьшается, Е0 приближается к Екр. Такое повышение возбудимости лежит в основе синдрома тетании, связанного с дефицитом Са 2+ в крови (см. раздел 4.3.1). Изменения содержания ионов Н + в среде действуют на возбудимость нейронов так же, как изменения концентрации Са 2+ , что в обоих случаях объясняется изменением
Читайте также: Из каких тканей шьют мишек тедди
величины Е0. Однако если мембранный потенциал снижается медленно ниже Екр (—50 мВ), например, в условиях гипоксии, при действии миорелаксантов типа сукцинилхо-лина, то клетка становится невозбудимой вследствие инактивации № + -каналов и невозможности достичь Екр.
Несмотря на то что AV является наиболее точным показателям состояния возбудимости клетки, используется он в эксперименте из-за сложности процедуры реже, чем другие показатели. Чаще всего возбудимость оценивается по пороговой силе раздражителя.
Б. Пороговая сила — это наименьшая сила раздражителя, способная вызвать возбуждение (ПД) при неограничении ее действия во времени (рис. 4.8). Сила раздражителя — понятие собирательное, оно отражает степень выраженности раздражающего воздействия стимула на ткань. Например, сила электрического тока выражается в амперах (А), температура среды — в градусах Цельсия (°С), концентрация химического вещества — в миллимолях на 1 л (ммоль/л), сила звука — в децибелах (дБ) и т.д. При использовании в качестве раздражителя электрического тока предложенное определение пороговой силы совпадает с понятием «реобаза». Реобаза — наименьшая сила тока, способная вызвать импульсное возбуждение. Если возбудимость ткани высока, пороговая сила раздражителя мала. Чем выше возбудимость, тем ниже пороговая сила. Большая пороговая сила свидетельствует о низкой возбудимости ткани. При внутриклеточном раздражении пороговая сила электрического тока для различных клеток равна 1(Г 7 — КГ 9 А. При медленно нарастающей силе раздражителя возбуждение может не возникнуть даже при достижении большой
его силы, значительно превосходящей пороговую. Это свидетельствует о том, что возбудимость ткани в таких условиях уменьшается — возникает явление аккомодации.
Аккомодация — это понижение возбудимости ткани и амплитуды ПД вплоть до полного его отсутствия при медленно нарастающем стимуле (малая крутизна). Главной причиной аккомодации является инактивация Na-каналов, возникающая при медленной деполяризации клеточной мембраны — в течение 1 с и более. Клетка теряет возбудимость, если закрывается около 50 % инакти-вационных h-ворот (в покое h-ворота в основном открыты, закрыто около 20 %). Меньшую роль играет активация К-каналов. Возникающая частичная деполяризация клетки при медленно нарастающей силе стимула ведет к уменьшению мембранного потенциала. Поэтому если и возникает ПД при
дальнейшем резком увеличении силы раздражителя, то его амплитуда мала. Аккомодация развивается, например, в клетках ЦНС, когда они деполяризуются при суммации медленно нарастающих синаптических потенциалов. Скорость развития аккомодации у разных тканей различна, она зависит, как и скорость возникновения ПД, от скорости активации и инактивации ионных каналов, в первую очередь инактивации Na-каналов. Таким образом, аккомодация характеризует не возбудимость ткани, а изменение возбудимости ткани при действии плавно нарастающего раздражителя. Поэтому при определении возбудимости ткани в качестве раздражителя необходимо использовать прямоугольные импульсы. В этом случае скорость нарастания стимула и активация Na-каналов опережают скорость аккомодации (инактивации Na-каналов), что и приводит к возникновению ПД. Важным условием, обеспечивающим возникновение возбуждения при действии раздражителя, является его длительность. Поэтому для оценки свойств возбудимой ткани вводится еще одно понятие — пороговое время.
В. Пороговое время — это минимальное время, в течение которого должен действовать на ткань раздражитель пороговой силы, чтобы вызвать ее возбуждение (см. рис. 4.8 — проекция точки А на абсциссу). Пороговое время называют также полезным временем, так как раздражитель обеспечивает деполяризацию только до критического уровня (Екр.). Далее ПД развивается независимо от действия раздражителя, дальнейшее раздражение уже становится ненужным — бесполезным. В эксперименте в клинической практике для оценки свойств возбудимой ткани чаще используют не пороговое время, а хронаксию. Это связано с тем, что определение порогового времени затруднено (пологая часть кривой, см. рис. 4.8). Хронаксия — наименьшее время, в течение которого должен действовать ток в две реобазы, чтобы вызвать возбуждение (см. рис. 4.8 — проекция точки Б на абсциссе). Хронаксия соответствует более крутой части кривой сила — время, она колеблется от сотых долей до сотен миллисекунд. Измерение хронаксии в клинической практике позволяет уточнить характер повреждений мышцы при травмах. В норме определяется фактически хронаксия нервных волокон, так как возбудимость их выше. В случае повреждения нерва и его перерождения определяют истинную хронаксию мышцы, которая намного превышает таковую до травмы.
Читайте также: Как отстирать пятна пота с белых тканей
Взаимозависимость между сверхпороговой силой раздражителя и временем его действия,
необходимым для вызова возбуждения, показана также на рис. 4.8. Кривая в виде гиперболы (кривая Гоорвега—Вейса—Лапика) демонстрирует, что с увеличением сверхпороговой силы раздражителя время его действия, необходимое для вызова возбуждения, уменьшается, и наоборот. Из графика (правая часть) также следует, что, если для получения возбуждения использовать раздражитель по амплитуде меньше реобазы, возбуждение ткани не возникнет даже в том случае, если время его действия будет бесконечно большим. С другой стороны, если для получения возбуждения использовать раздражитель, длительность которого будет меньше некоторого критического интервала (левая часть графика), возбуждение ткани также не будет получено даже в том случае, если сила раздражителя будет бесконечно большой. Поэтому высокочастотный переменный ток (>10 кГц) опасности для организма не несет: при сверхкоротком воздействии на ткань импульс электрического тока дает лишь тепловой эффект, что используется в клинической практике для глубокого прогревания тканей при различных патологических процессах. Электрический ток с частотой от 0,5 до 1 мГц также может использоваться в лечебных целях, в основном для прогревания тканей. Низкочастотный переменный синусоидальный ток (50 Гц) стимулирует возбудимые ткани. Стимулы синусоидального тока частотой 50 Гц большого напряжения опасны для жизни: они могут вызвать фибрилляцию сердца с летальным исходом (относительный рефрактерный период миокарда представляет собой в этом случае фазу повышенной уязвимости).
В учебниках и руководствах по физиологии нередко встречаются термины «порог раздражения» и «порог возбуждения», под которым понимают минимальную интенсивность или минимальную энергию раздражения, способную вызвать возбуждение. Следует заметить, что понятие «интенсивность раздражения» не определено в количественном отношении. Понятие «порог раздражения» или «порог возбуждения» как минимальная энергия без указания времени действия раздражителя тоже не позволяет определить возбудимость ткани, поскольку при длительном действии слабого (подпороговой силы) раздражителя можно израсходовать большое количество энергии, но возбуждения ткани так и не вызвать. В этом случае деполяризация не достигнет критического уровня (EKp.). Кроме того, возникнет явление аккомодации — инактивация Na-каналов, которое, как известно, развивается быстро. Необоснованно также рассматривать термин «пороговая сила» как величину, зависящую от времени ее действия, что нередко допускается. Пороговая сила не может за-
висеть от времени действия — она зависит только от возбудимости ткани. При определении пороговой силы время ее действия не ограничивают. Сверхпороговая сила действительно связана со временем ее действия: чем она больше, тем короче время ее действия, необходимое для вызова возбуждения.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом