ГЛАВА 5. ФИЗИОЛОГИЯ НЕЙРОНОВ

Нервная система состоит из двух типов клеток - нервных (нейроны) и глиальных (нейроглия). К нейроглии относятся астроциты, микроглия, миелинобразующие клетки (олигодендроциты ЦНС и шванновские клетки периферических нервов). По отношению к нейронам глиоциты выполняют трофическую, опорную и изолирующую (электрический изолятор) функции. Нейрон - основная структурно-функциональная единица нервной системы. Число нейронов в мозге человека превышает 100х10⁹. Основная функция нейронов - генерация, передача и интеграция нервных импульсов.

Нейроны

В нервной клетке различают тело (перикарион) и отростки - дендриты и аксон (рис. 5-1). Как правило, нейрон имеет несколько дендритов и один аксон. Отростки нейрона и поверхность перикариона участвуют в образовании синапсов. Нейроны - возбудимые клетки - осуществляют передачу электрических сигналов в пределах самой нервной клетки (а между нейронами при помощи нейромедиаторов в синапсах) и этим обеспечивают способность мозга к переработке информации.

Классификации нейронов

Существует множество классификаций нервных клеток, так как нейроны отличаются по размерам и форме перикариона, числу отростков, их синаптическим связям, характеру ветвления дендритов, электрофизиологическим характеристикам, химии нейромедиаторов, позиции в нейронных сетях и множеству других характеристик. В зависимости от класса выполняемой функции выделяют афферентные (чувствительные, сенсорные), эфферентные (двигательные, моторные) и вставочные нервные клетки (ассоциативные нейроны, или интернейроны).

Исходя из характера электрогенеза в различных зонах нервных клеток (рецептивная и интегративная зоны, начальный сегмент

Рис. 5-1. Многоотростчатьш нейрон [11]. Тело клетки (перикарион) содержит ядро. От перикариона отходят отростки. Один из них - аксон, все другие - дендриты. Справа и сверху вниз: функциональные зоны нервной клетки - рецептивная (дендритная), аксон (область проведения ПД), концевых разветвлений аксона (пресинаптическая)

аксона, аксон, терминали аксона) предложена универсальная классификация (рис. 5-1). Эта классификация учитывает направление (вход и выход) сигналов в пределах одной нервной клетки, но находящейся в составе нейронных сетей или цепочек, а также характер мембранного электрогенеза (изменения МП в рецептивной и пресинаптической зонах и передача ПД по аксону).

Мембранный потенциал покоя

Мембранный потенциал (МП) покоя - разность электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны в состоянии покоя (при отсутствии раздражителей) - рассмотрен в главе 2 (раздел «Мембранный электрогенез»). МП покоя нервной клетки составляет -70 мВ, и его величина достаточна стабильна. Изменения величины МП (рис. 5-2) описывают специальными терминами: о деполяризация - уменьшение величины МП; ❖ реполяризация - возвращение величины МП к исходному уровню; о гиперполяризация - увеличение МП по сравнению с исходным уровнем. Все изменения МП в дендритной зоне нервной клетки известны как локальные ответы, затухающие на протяжении нескольких микрометров от места возникновения. В этой зоне по-

Рис. 5-2. Изменения мембранного потенциала и потенциал действия. Вертикальная стрелка в нижней части рисунка - момент появления раздражающего стимула, на отметке -80 мВ - исходный уровень МП

стоянно возникают десятки и сотни локальных ответов (постсинаптические потенциалы), суммирование которых в виде изменений МП достигает области начала аксона (аксонного холмика). Помимо локальных ответов, возбудимые мембраны нервных клеток в области аксона могут генерировать потенциалы действия (ПД, спайки, нервные импульсы, рис. 5-2). Существенное значение при генерации ПД имеет представление о пороге раздражения.

Локальные ответы, порог раздражения и потенциал действия

Нервная клетка реагирует изменениями МП в ответ на раздражающие (в том числе электрические) стимулы либо локальными (подпороговыми) реакциями, либо генерирует ПД.

•  Локальные ответы. Стимулы, величина которых меньше опреде- лённого порога, вызывают локальные ответы, затухающие вблизи места раздражения. Эти локальные ответы могут быть как деполяризующие (возбуждающие) мембрану, так и гиперполяризующие (тормозные).

•  Потенциал действия. Деполяризующие стимулы, достигшие порогового значения, вызывают развитие возбуждения в виде ПД. ПД распространяется по мембране нейрона без затухания (без декремента).

Законы раздражения нервной клетки

Генерация ПД подчиняется законам «всё или ничего», «силавремя» и аккомодации.

•  Закон «всё или ничего». При достижении пороговой силы раздражающего стимула дальнейшее увеличение его интенсивности или продолжительности раздражения не изменяет характеристик ПД. Такая форма реакции нервной клетки на раздражение получила название «всё или ничего» (либо ПД возникает, либо нет).

•  Закон силы-времени. Эффект раздражителя на нервную клетку зависит не только от силы раздражителя, но и от времени, в течение которого он действует; так, чем больше сила тока, тем меньше времени он должен действовать, чтобы возник процесс возбуждения, и наоборот. Соотношение силы и длительности действия раздражителя может быть выражено в виде гиперболической кривой (рис. 5-3).

•  Закон аккомодации. Раздражающее действие тока зависит не только от амплитуды электрического сигнала, но и от скорости (крутизны) его нарастания во времени: чем быстрее это нарастание, тем силь-

Рис. 5-3. Кривая «силы-времени» [21]. 1 - реобаза (минимальная сила раздражителя, способная вызвать ПД); 2 - удвоенная реобаза; 3 - кривая «силы-времени»; а - полезное время (минимальное время, в течение которого ток, равный одной реобазе, вызывает генерацию ПД); б - хронаксия (минимальное время, в течение которого ток, равный двум реобазам, вызывает ПД)

нее выражено раздражающее действие тока. При действии медленно нарастающей силы раздражителя генерации ПД не происходит, так как возбудимая клетка «приспосабливается» к действию этого раздражителя, что и получило название аккомодации.

Потенциал действия

Потенциал действия (ПД) - быстрое колебание МП - самораспространяющийся процесс, связанный с изменениями ионной проводимости мембраны, вызванными функционированием ионных каналов. ПД распространяется без затухания, то есть практически без уменьшения амплитуды. Проведение ПД по мембране можно сравнить с поджиганием пороховой дорожки: вспыхнувший порох немедленно воспламеняет впереди лежащие частицы, и пламя движется вперёд до конца дорожки.

Временной ход потенциала действия. Продолжительность ПД нервной клетки измеряется единицами миллисекунд (мс). ПД, зарегистрированные двумя электродами, один из которых находится внутри клетки, а другой - в окружающем растворе, представлены на рис. 5-2 и 5-4.

Между моментом нанесения раздражения и первым проявлением ПД имеется задержка - латентный период. Латентный период соответствует времени, когда ПД движется по мембране нервной клетки от места раздражения до отводящего электрода. Под действием раздражающего стимула происходит нарастающая деполяризация мембраны - локальный ответ. При достижении критического уровня деполяризации, который в среднем составляет -55 мВ, начинается фаза деполяризации. В эту фазу уровень МП падает до нуля и даже приобретает положительное значение (овершут), а затем возвращается к исходному уровню (фаза реполяризации). Фазы деполяризации, овершута и реполяризации образуют спайк (пик) ПД. Длительность спайка составляет 1-2 мс. После спайка наблюдается замедление скорости спада потенциала - фаза следовой деполяризации. После достижения исходного уровня покоя нередко наблюдается фаза следовой гиперполяризации. Эти следовые потенциалы могут длиться десятки и сотни миллисекунд.

Ионные механизмы потенциала действия. В основе изменений МП, происходящих в течение ПД, лежат ионные механизмы. На рис. 5-4 представлены суммарные ионные токи, протекающие через мембрану нервной клетки в ходе ПД.

• Локальный потенциал. Раздражение клетки приводит к открытию части Na+-каналов и появлению локального (нераспространяющегося) потенциала.

Рис. 5-4. Потенциал действия и ионные токи нервной клетки [5]. По оси

ординат отложены значения МП (мВ), по оси абсцисс - время (мс)

•  Фаза деполяризации. При достижении критического уровня деполяризации мембраны (соответствует порогу активации потенциалозависимых Na+-каналов) начинается лавинообразный процесс открытия большого количества Na+-каналов. В фазу деполяризации происходит массивный вход в клетку ионов Na⁺ по концентрационному и электрохимическому градиентам.

•  Овершут. Деполяризация мембраны приводит к реверсии МП (МП становится положительным). В фазу овершута Na+-ток начинает стремительно спадать, что связано с инактивацией потенциалозависимых Na+-каналов (время открытого состояния - доли миллисекунды) и исчезновением электрохимического градиента Na+.

•  Фаза реполяризации. Помимо инактивации Na+-каналов, развитию реполяризации способствует открытие потенциалозависимых К+-каналов. Этот процесс происходит медленнее, чем открытие Na+-каналов, но К+-каналы остаются открытыми более продолжительное время. Выход К⁺ наружу способствует полному завершению фазы реполяризации.

•  Следовые потенциалы связаны с длительными изменениями кинетических свойств К⁺-каналов. Восстановление исходного уровня МП приводит Na⁺- и К⁺-каналы в состояние покоя. Изменения возбудимости во время потенциала действия. В ходе

развития ПД происходят изменения возбудимости мембраны нервной клетки.

•  Абсолютно рефрактерный период. Во время фазы деполяризации и большей части фазы реполяризации ПД клетка находится в абсолютно рефрактерном периоде, в течение которого даже сверхпороговое раздражение не способно вызвать ПД. Этот феномен связан с инактивацией большинства Na+-каналов.

•  Относительно рефрактерный период. В конце фазы реполяризации, а также во время следовой гиперполяризации клетка способна генерировать ПД только в ответ на сверхпороговые раздражители. Это связано со значительным реполяризующим действием выходящих калиевых токов.

•  Лабильность - максимально возможная частота генерации ПД для данного типа возбудимой клетки. Лабильность большинства нейронов составляет приблизительно 400 ПД/с, а у интернейронов спинного мозга доходит до 1000 ПД/с.

Проведение возбуждения по нервным волокнам

Нервные волокна - аксоны нервных клеток, окружённые оболочкой из олигодендроглиоцитов в ЦНС и шванновских клеток в периферических нервах. Нервные волокна подразделяют на 2 типа - безмиелиновые и миелиновые. Основная функция нервных волокон - проведение ПД. Скорость проведения в миелиновых и безмиелиновых волокнах различна (рис. 5-5) и существенно зависит от диаметра нервных волокон.

•  Безмиелиновые нервные волокна (рис. 5-6А). В покое мембрана аксона (осевого цилиндра) поляризована - положительно заряжена снаружи и отрицательно внутри. При ПД полярность изменяется, и наружная поверхность мембраны приобретает отрицательный заряд. Из-за разности потенциалов между возбуждённым и невозбуждёнными сегментами возникают локальные токи, деполяризующие соседний участок мембраны. Теперь этот участок становится возбуждённым и деполяризует следующий участок мембраны. Такое проведение известно как электротоническое, а проведение ПД - своего рода «эстафета», в которой каждый участок мембраны является сначала раздражаемым, а затем раздражающим. ПД возникает за счёт увеличения проводимости через потенциалозависимые Na+-каналы, встроенные в аксолемму с плот-

Рис. 5-5. Скорость проведения возбуждения в миелиновых и безмиелиновых нервных волокнах разного диаметра [4]. Скорость проведения пропорциональна диаметру нервного волокна и в миелиновых волокнах выше, чем в безмиелиновых

• ностью около 110-120 каналов на 1 мкм². Появление так называемых рефрактерных каналов (рефрактерное состояние мембраны после прохождения ПД) предупреждает распространение возбуждения в обратном направлении. Скорость проведения возбуждения по безмиелиновому нервному волокну в основном составляет 0,5- 2 м/с и зависит от диаметра волокна: чем больше диаметр, тем выше скорость проведения ПД (см. рис. 5-5). Миелиновое нервное волокно (рис. 5-6Б) состоит из осевого цилиндра (аксона), вокруг которого шванновские клетки образуют миелин за счёт концентрического наслаивания собственной плазматической мембраны. Миелин прерывается через регулярные промежутки (от 0,2 до 2 мм) концентрической щелью шириной около 1 мкм, это узлы, или перехваты Ранвье. Таким образом, межузловые сегменты аксона, расположенные между соседними перехватами Ранвье, содержат миелин - электрический изолятор, не позволяющий проходить через него локальным токам, поэтому ПД возникают только в перехватах Ранвье. Другими словами, ПД перемещается вдоль нервного волокна скачками, от одного перехвата Ранвье к другому перехвату (скачкообразное проведение).

Рис. 5-6. Проведение возбуждения в нервных волокнах [7]. А - безмиелиновое волокно (электротоническое проведение). Б - миелиновое волокно (скачкообразное проведение). Миелин, полностью окружая аксон в межузловых промежутках, выступает в роли электрического изолятора, а межклеточная жидкость в перехватах Ранвье - проводник

Законы проведения возбуждения

•  Бездекрементное проведение возбуждения. Амплитуда ПД в различных участках нерва одинакова, то есть проведение возбуждения по нервному волокну осуществляется без затухания (бездекрементно). Таким образом, кодирование информации осуществляется не за счёт изменения амплитуды ПД, а путём изменения их частоты и распределения во времени.

•  Изолированное проведение возбуждения. Нервные стволы обычно образованы большим количеством нервных волокон, однако ПД, идущие по каждому из них, не передаются на соседние. Эта особенность нервных волокон обусловлена: наличием оболочек, окружающих отдельные нервные волокна и их пучки (в результа-

те образуется барьер, предупреждающий переход возбуждения с волокна на волокно); сопротивлением межклеточной жидкости (жидкость, находящаяся между волокнами, имеет гораздо меньшее сопротивление току, чем мембрана аксонов; поэтому ток шунтируется по межволоконным пространствам и не доходит до соседних волокон).

Типы нервных волокон и их функции

При регистрации электрической активности нервного ствола Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер в 1937 г. обнаружили составной характер тока действия нервного ствола. На основании полученных данных (диаметр, скорость проведения, функция) разработана классификация (табл. 5-1), в соответствии с которой нервные волокна подразделены на группы A, В и С с дальнейшими градациями (α, β и т.д.).

Таблица 5-1. Классификация нервных волокон по диаметру и скорости проведения [3]

Примечание. Классификация Эрлангера-Гассера (латинские буквы) и альтернативные добавления (римские цифры)