Потенциал действия

Если при помощи какого-либо раздражителя деполяризовать мембрану до определенной величины (например, подав на нее электрический стимул), то на мембране возникнет потенциал действия (ПД). Сначала в месте раздражения разность потенциалов резко уменьшается (фаза нарастания), далее кривая переходит за нулевую линию (положительная фаза ПД или овершут), а затем возвращается к исходному ПП (реполяризация). Средняя длительность ПД составляет около 1,5 мс (рис. 8). Вслед за собственно ПД могут следовать более длительные стадии следовой гиперполяризации либо деполяризации, имеющие, впрочем, небольшую амплитуду.

Раздражитель минимальной величины, на который возникает ответная реакция нейрона, называется пороговым стимулом. Порог возникновения ПД обычно на 15-25 мВ выше ПП, т.е. равен примерно -40-50 мВ. ПД возникает по закону «все или ничего». Это значит, что при любом подпороговом раздражителе клетка не отвечает на него – «ничего», в то же время амплитуда ПД на пороговый раздражитель и на любой раздражитель большей величины одинакова для каждого отдельного нейрона – «все». Таким образом, форма и амплитуда ПД очень стабильны в каждом конкретном нейроне и не зависят от силы запускающего стимула.

Основные ионы, участвующие в генерации ПД – катионы натрия и калия, причем натрий входит в нейрон, а калий выходит. Ионные каналы, через которые они движутся, относятся к потенциалзависимым ионным каналам. Белки этого класса обладают способностью находиться в открытом либо закрытом состоянии в зависимости от разности потенциалов на мембране клетки. Обычно это связано с наличием заряженных фрагментов белковой молекулы – створок. Створки эти чаще всего перекрывают проход канала, если заряд внутри нейрона находится на уровне ПП, и открывают его при деполяризации мембраны. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Если отдельно регистрировать движения (токи) ионов Na⁺ и К⁺ во время ПД, то можно получить следующие кривые (рис 9). Из рисунка видно, что Na⁺-ток возникает практически сразу после запускающего ПД стимула, в течение 0,3-0,4 мс достигает максимума, а затем снижается. Снижение и прекращение Na⁺-тока происходит на фоне еще не завершившегося ПД. Следовательно, время открытия Na⁺-каналов ограничено, и их закрытие происходит вне зависимости от разности потенциалов на мембране.

Калиевый ток, возникнув практически одновременно с натриевым, относительно медленно развивается. Максимума он достигает примерно через 1,0 мс после стимула. К⁺-ток выносит из клетки положительные заряды, возвращая разность потенциалов на мембране к уровню ПП. Закрывание створки происходит после "прохода" порогового для запуска ПД уровня. При этом скорость закрывания также невелика. В результате повышенная проницаемость мембраны для ионов К⁺ сохраняется еще некоторое время. Это позволяет разности потенциалов на мембране достичь уровня ПП, а часто – и опуститься ниже, что вызывает следовую гиперполяризацию. Если потенциал на мембране все же остается выше ПП – наблюдается следовая деполяризация. Оба эти отклонения в дальнейшем затухают за счет деятельности, прежде всего, постоянно открытых ионных каналов.

На вершине ПД потоки входящего натрия и выходящего калия равны, поэтому нет ни роста, ни уменьшения ПД. Вершине натриевого тока соответствует максимальная скорость нарастания ПД, вершине калиевого – максимальная скорость спада.

Примерно в течение 1 мс после закрывания натриевые каналы остаются в полностью инактивированном состоянии, т.е. их открывание невозможно ни при каких условиях. Это состояние абсолютной рефрактерности мембраны, т.е. состояние полной невозбудимости. Такое состояние мембраны не позволяет отдельным ПД накладываться друг на друга. После этого следует период относительной рефрактерности – для возбуждения клетки необходим больший пороговый раздражитель. Существование абсолютной рефрактерности ограничивает максимальную частоту разряда нейрона примерно 500-700 имп/с.

При изучении ПД иногда нужно выделить его натриевую или калиевую составляющие. Для этого используются специальные вещества тетродотоксин и тетраэтиламмоний. Первый из них блокирует натриевые каналы и прекращает генерацию ПД. Тетраэтиламмоний блокирует калиевые каналы и резко удлиняет нисходящую фазу ПД.

Особая группа фармакологических препаратов – анестетики, используется для предотвращения генерации и распространения ПД в периферических нервах. Это позволяет, например, устранить локальные болевые ощущения. Молекулы анестетиков (новокаин, лидокаин и др.) слишком велики, чтобы войти в Na⁺-канал снаружи. Они перекрывают его, проникнув изнутри клетки либо предварительно растворившись в липидной мембране.

Рассмотренная схема генерации ПД является, конечно, весьма упрощенной. Реально как для натрия, так и для калия описаны несколько типов потенциалзависимых каналов, обеспечивающих в ответ на раздражитель не просто возникновение ПД, а возникновение нескольких ритмических ПД и даже возникновение нескольких пачек ПД.

Возникший в нейроне ПД распространяется по нервному волокну. Рассмотрим как осуществляется этот процесс вначале на примере безмиелинового волокна.

Если ПД возникает в некоторой точке электрочувствительной мембраны (т.е. мембраны с потенциалзависимыми каналами), он начинает выполнять функцию запускающего стимула по отношению к соседним ее областям. При этом ток натрия, формирующий первую фазу ПД, оказывает действие, аналогичное влиянию деполяризующего электрического стимула. В результате потенциал-зависимые ионные каналы на еще не активированной мембране начинают открываться, и ПД делает "первый шаг". Развившись в следующей точке, ПД запускает возбуждение в еще более удаленном участке мембраны и т.д. Этот процесс можно уподобить кругу, бегущему по воде от места падения камня. Если импульс исходно возник, например, в аксонном холмике, то вначале он "пробежит" тело нейрона и ближайшую к нему часть аксона; затем дендриты и среднюю часть аксона; затем дальнюю часть аксона и достигнет его пресинаптических окончаний.

В ходе этого распространения фронт ПД движется только в одном направлении – от точки возникновения в разные стороны без "возвратов" назад. Это связано с состоянием абсолютной рефрактерности мембраны после генерации ПД. В результате в каждый момент времени она может проводить сигнал только в одном направлении. Повторное проведение возможно лишь после возврата потенциалзависимых каналов в состояние готовности.

Таким образом, проведение ПД по мембране требует открывания ионных каналов на последовательных участках мембраны, что делает его весьма медленным – около 0,5-1 м/с. Чем больше толщина нервного волокна, тем больше скорость распространения ПД по мембране. Так, в гигантском аксоне кальмара толщиной 1 мм она достигает 10 м/с.

По миелиновым волокнам ПД проводится с еще большей скоростью. В этом случае очередным возбужденным участком при проведении ПД будет не соседняя точка мембраны, а ближайший участок мембраны, не покрытый миелином (перехват Ранвье). В результате импульс будет распространяться сальтаторно (скачкообразно), развиваясь только в перехватах Ранвье. Ширина перехватов – 0,5 мкм (против 0,5-1 мм для миелинового сегмента). Скорость проведения определяется толщиной миелиновой оболочки. При общем диаметре волокна 1 мкм она составляет 3 м/с, при диаметре 22 мкм – 120 м/с (максимальная из известных). Кроме резкого увеличения скорости проведения, такой вариант является и очень экономичным, поскольку изменения ионного баланса в результате ПД происходят только в зоне перехватов.

Конечной целью бегущего по нерву ПД являются пресинаптические окончания. Здесь электрический сигнал превращается в химический, и скачок потенциала на мембране запускает выделение медиатора. Можно сказать, что, пока сигнал остается в границах одного нейрона - он передается в электрической форме (ПД). Для передачи же между нейронами информация преобразуется в химическую форму (медиатор). Подействовав на постсинаптическую мембрану, медиатор вновь переводит сигнал в электрическую форму и т.д. Все это свидетельствует о тесном взаимодействии электрических и химических процессов в ходе реализации различных функций мозга.