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. Количество 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. Сома нейрона синтезирует белки и различные клеточные материалы и распределяет их по дендритам и аксону.

Транспорт веществ в нейроне и его отростках. Транспортные механизмы способны перемещать клеточные компоненты в антероградном направлении в сторону от сомы нейрона или в ретроградном направлении в сторону сомы нейрона. Кинезин и микротубулоассоциированный белок ответственны за антероградный аксональный транспорт органелл и везикул; динеин и другой микротубулоассоциированный белок отвечают за ретроградный транспорт. Антеро-

Рис. 5-1. Многоотростчатый 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).

градный транспорт подразделяется на быстрый и медленный. Скорость медленного аксоплазматического транспорта 1-2 мм в день. Скорость быстрого аксоплазматического транспорта около 400 мм в день. Быстрый транспорт используется для переноса органелл, везикул и мембранных гликопротеинов в терминаль аксона. Медленный транспорт используется для переноса структурных белков, таких как актин, нейрофиламенты и микротубулы. Ретроградный аксональный транспорт обеспечивает доставку к нейрону трофи- ческих факторов, например фактора роста нервов.

Классификации нейронов

Существует множество классификаций нервных клеток, так как нейроны различаются по размерам и форме перикариона, числу отростков, их синаптическим связям, характеру ветвления дендритов, электрофизиологическим характеристикам, химии нейромедиаторов, позиции в нейронных сетях и по множеству других признаков. В зависимости от класса выполняемой функции выделяют афферентные (чувствительные, сенсорные), эфферентные (двига-

тельные, моторные) и вставочные нервные клетки (ассоциативные нейроны, или интернейроны).

Исходя из характера электрогенеза в различных зонах нервных клеток (рецептивная и интегративная зоны, начальный сегмент ак- сона, аксон, терминали аксона) предложена универсальная классификация (см. 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 рецептив- ной 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, устанавливаемая безворотными ионными каналами, довольно стабильна. Изменения величины МП (рис. 5-2) описываются специальными терминами:

•  деполяризация - уменьшение величины МП;

•  реполяризация - возвращение величины МП к исходному уровню;

•  гиперполяризация - увеличение МП по сравнению с исходным уровнем.

Все изменения МП в дендритной зоне нервной клетки, формируемые при участии воротных каналов, которые управляются лигандами, известны как локальные ответы, затухающие на протяжении нескольких микрометров от места возникновения. В этой зоне постоянно возникают десятки и сотни локальных ответов (постсинаптические потенциалы), суммирование которых в виде изменений МП достигает области начала аксона (аксонного хол- мика). Помимо локальных ответов, возбудимые мембраны нервных клеток в области аксона за счет быстрой активации множества потенциалзависимых натриевых каналов могут генерировать потенциалы действия (ПД, спайки, нервные импульсы, см. рис. 5-2). Существенное значение при генерации ПД имеет представление о пороге раздражения.

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.

Локальные ответы, порог раздражения и потенциал действия

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

•  Локальные ответы. Стимулы, величина которых меньше опре- делённого порога, вызывают локальные ответы, затухающие вблизи места раздражения. Эти локальные ответы могут быть как деполяризующими (возбуждающие) мембрану, так и гиперполяризующими (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», «сила- время» и аккомодации.

•  Закон «всё или ничего». При достижении пороговой силы раздражающего стимула дальнейшее увеличение его интенсивности или продолжительности раздражения не изменяет ха-

рактеристик 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 сильнее выражено раздражающее действие тока. При действии медленно нарастающей силы раздражителя генерации ПД не происходит, так как возбудимая клетка

в

Рис. 5-3. Кривая зависимости силы раздражения возбудимой ткани от продолжительности действия раздражителя «сила-длительность» [21]. 1 - реобаза (минимальная сила раздражителя, способная вызвать ПД); 2 - удвоенная реобаза; 3 - кривая «сила-длительность»; 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).

«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, которые вызваны функционированием потенциалзависимых натриевых каналов. ПД распространяется без затухания, т.е. 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, 5-4.

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

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

Между моментом, когда наносится раздражение, и первым проявлением ПД существует задержка - латентный период. Латент- ный 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 этой фазе 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 течении ПД происходят изменения МП, обусловленные ионными механизмами. На рис. 5-4 представлены суммарные ионные токи, протекающие через мембрану нервной клетки в ходе ПД.

•  Локальный потенциал. Раздражение клетки обусловливает открытие части потенциалзависимыхNa⁺-каналов и появление локального (нераспространяющегося) потенциала.

•  Фаза деполяризации. При достижении критического уровня деполяризации мембраны (соответствует порогу активации потенциалзависимых Na⁺-каналов) начинается лавинообразный процесс открытия множества Na⁺-каналов. В фазе деполяризации происходит массивный вход в клетку ионов Na+ по концентрационному и электрохимическому градиенту.

•  Овершут. Деполяризация мембраны приводит к реверсии мембранного потенциала (МП становится положительным). В фазе овершута Na⁺-ток начинает стремительно спадать, что связано с инактивацией потенциалзависимых Na⁺-каналов (время открытого состояния этих каналов - доли миллисекунды) и дополнительным открытием К+-каналов.

•  Фаза реполяризации. Помимо инактивацииNa⁺-каналов, развитию реполяризации способствует открытие потенциалзависимых 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, что способствует выходу ионов К+. Восстановление исходного уровня МП приводит Na+- и К+-каналы в состояние покоя.

Изменения возбудимости во время потенциала действия. В ходе развития ПД изменяется возбудимость мембраны нервной клетки.

•  Абсолютно рефрактерный период. Во время фазы деполяризации и частично фазы реполяризации ПД клетка находится в абсолютно рефрактерном периоде, в течение которого даже сверхпороговое раздражение не способно вызвать ПД. Этот феномен связан с инактивацией большинстваNa⁺-каналов. Абсолютно рефрактерный период ограничивает частоту возникновения ПД и возможность его проведения в неверном направлении по аксону.

•  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 подразделяются на два типа - безмиелиновые и миелиновые. Основная функция нервных волокон - проведение ПД. Скорость проведения в миелиновых и безмиелиновых волокнах различна (рис. 5-5) и в значительной мере зависит от диаметра нервных волокон.

•  Безмиелиновые нервные волокна (рис. 5-6, А). В покое мембрана аксона (осевого цилиндра) поляризована - положительно заряжена снаружи и отрицательно внутри. При ПД полярность изменяется и наружная поверхность мембраны при-

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.

обретает 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 прове- дение известно как электротоническое, а проведение ПД - своего рода «эстафета», в которой каждый участок мембраны является сначала раздражаемым, а затем раздражающим. ПД возникает за счёт увеличивающейся проводимости через потенциалзависимые Na+-каналы, встроенные в аксолемму с плотностью 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. 5-6, Б) 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, т.е. 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:

Φ наличием оболочек, окружающих отдельные нервные волокна и их пучки (в результате образуется барьер, предупреждающий переход возбуждения с волокна на волокно);

Φ 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, что ток действия нервного ствола имеет составной характер. 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]

 Структуры

Окончание табл. 5-1

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

Обобщение главы

Нейроны имеют разветвлённую систему дендритов и, как правило, один протяжённый аксон.

Локализация ионных каналов носит избирательный характер: на нейроне каналы, не имеющие ворот, распределены на нейрональной мембране; потенциалзависимые каналы, в основном, располагаются в аксоне и его отростках.

Потенциал действия представляет собой преходящее изменение мембранного потенциала, характеризующееся быстрой деполяризацией и последующей реполяризацией.

Фаза деполяризации - результат быстрой активации потенциалзависимых Na⁺-каналов; фаза реполяризации - результат инактивации потенциалзависимых Na⁺-каналов и задержанной активации потенциалзависимых К+-каналов.

Потенциал действия в нейроне возникает тогда, когда аксонный холмик деполяризуется до порогового уровня быстрой активацией большого количества потенциалзависимых натриевых каналов.

Распространение потенциала действия происходит за счёт постоянного его возникновения в соседних участках мембраны вследствие локального тока, возникающего между возбуждённым и невозбуждённым отделами.

Скорость проведения потенциала действия зависит от диаметра аксона и толщины миелиновой оболочки.

Антероградный аксональный транспорт обеспечивает терминали аксона органеллами, синаптическими везикулами, метаболическими факторами и рецепторами.

Ретроградный аксональный транспорт переносит отработанные вещества, захватывает питательные материалы и сигнальные по- средники из области терминали для сомы нейрона и служит механизмом для входа в ЦНС токсинов и микроорганизмов.