2.1.2.4. Механизмы генерации потенциала действия

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

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

48

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

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

ляризующий ток

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

49

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

4 — 3389

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

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

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

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

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

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

50

■»*

51

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

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

E_M = I/G. (19)

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

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

Рис. 2.10. Ионный ток через нервную мембра­ну при различных фиксированных значениях мембранного потенциала

вмА/см²

Исходное значение мембранного потенциала 60 мВ. Мембранный потенциал смещается и поддерживает­ся в течение 2мс с помощью усилителя обратной связи на установленном уровне — показано пунк­тирной горизонтальной линией. Ионный ток в со­ответствии со значением мембранного потенциала имеет определенную форму. Для каждого значения мембранного потенциала кривая ионного тока — не­прерывная линия, наложенная на прерывистую пря­мую. Стрелками вниз показано направление входя­щего ионного тока, стрелкой вверх — выходящего ионного тока

'2 мс

(см. рис. 2.9). Начнем с гиперполя­ризации мембраны (стимулы этой полярности не вызывают генерацию потенциала действия). При смеще­нии мембранного потенциала в от­рицательную сторону через мембра­ну начинает течь небольшой ток, на­правленный внутрь и сохраняющий­ся в течение всего времени гипер­поляризации (рис. 2.10). Такой же ток течет через мембрану и при ее де­поляризации, если величина деполяризации не превышает поро­говой величины для возникновения потенциала действия. При превышении этой величины ионный ток через мембрану имеет большую величину и более сложное изменение во времени. Вна­чале кривая отклоняется вниз, что соответствует возникновению входящего внутрь клетки тока. Достигнув максимума при данном значении напряжения на мембране, ток начинает уменьшаться до нуля. Длительность этой части тока составляет 1...2мс. При до­стижении нулевого значения ток начинает увеличиваться в про­тивоположную сторону и затем выходит на плато. Дальнейшее увеличение фиксированного деполяризующего напряжения на мембране сопровождается сначала увеличением максимальной величины входящего ионного тока. Затем его амплитуда начинает уменьшаться, а при напряжении на мембране около +60 мВ вхо­дящий ток сначала становится равным нулю и далее меняет свое направление на выходящий.

Были проведены опыты, аналогичные экспериментам по вли­янию замены ионов натрия на ионы холина на амплитуду потен­циалов действия. Оказалось, что при замене в окружающей среде ионов натрия на ионы холина входящий ток исчезал. При этом выходящий ток оставался неизменным. Если нервное волокно вновь оказывалось в среде с нормальной концентрацией ионов

52

53

Ходжкиным и Хаксли была также исследована и природа вы­ходящего (задержанного) ионного тока. В опытах с радиоактив­ными ионами калия было показано, что задержанный ток перено­сится ионами калия. В дальнейшем было обнаружено, что задерж­ка с появлением выходящего калиевого тока при деполяризации мембраны связана с относительно медленным открыванием ка­лиевых каналов; натриевые каналы реагируют на деполяриза­цию значительно быстрее.