Параметри електричного струму, що визначають 3 страница

Загальною рисою всіх подразників, здатних викликати ПД, є те, що всі вони призводять до розвитку деполяризації клітинної мембрани.

Основною властивістю клітини, яка визначає умови виникнення ПД, є її збудливість.

5 ЗБУДЛИВІСТЬ

Збудливість–це здатність клітини відповідати збудженням, тобто генерацією ПД, на дію подразника.

Параметри, що визначають збудливість клітини

1 Величина ПС. Вона безпосередньо впливає на кількість інактивованих натрієвих каналів. Якщо ПС стає більш позитивним, то зростає кількість інактивованих натрієвих каналів. При досягненні ПС рівня –50 мВ у клітинах савців усі 100% натрієвих каналів інактивуються, і жоден подразник будь-якої сили не здатний викликати ПД. Оскільки величина ПС визначається концентрацією іонів К⁺, то саме цим іонам належить провідна роль, якщо мова йде про названий вище параметр збудливості.

2 Критичний рівень деполяризації. Це величина мембранного потенціалу, при досягненні якої виникає ПД. Не кожна деполяризація мембрани викликає ПД, а тільки та, яка досягає критичної величини. У великих нервових волокнах вона у середньому становить –65 мВ.

Рисунок 5.1 – Показники збудливості клітини: Е_кр – критичний рівень деполяризації; Е_пс – рівень потенціалу спокою; ∆V - пороговий потенціал (поріг деполяризації)

Різниця між критичним рівнем деполяризації (Е_кр) і ПС (Е_пс) називається пороговим потенціалом, або порогом деполяризації ( V) . .

У даному випадку V = -65 – (-90) = 25 мВ.

Основним фактором, що визначає критичний рівень деполяризації, є позаклітинна концентрація іонів Са²⁺.

При збільшенні цієї концентрації Е_кр є більш позитивним, і відповідно зростає поріг деполяризації ( V). Зменшення позаклітинної концентрації Са²⁺ викликає протилежний ефект – Е_кр наближається до рівня ПС, а відповідно V зменшується.

Виходячи зі значення розглянутих параметрів, можна виділити чотири зміни збудливості (рис. 5.2).

.

Рисунок 5.2 – Варіанти змін збудливості клітини

Зміни збудливості під час збудження

Під час і відразу після збудження збудливість клітини змінюється таким чином, що виділяються два періоди: період абсолютної і період відносної рефрактерності

(рис. 5.3).

Рисунок 5.3 – Періоди абсолютної і відносної рефрактерностей

1 Період абсолютної рефрактерності.Тривалість цього періоду для великих нервових волокон – від початку ПД і ще деякий час після його завершення, приблизно 2 мс. У цей період клітина незбудлива – жоден подразник не здатний викликати ПД.

Існування абсолютної рефрактерності пояснюється тим, що в цей період усі натрієві канали перебувають в інактивованому стані. Для того щоб збудливість відновилася, необхідний перехід натрієвих каналів з інактивованого стану у стан спокою. Це досягається закриттям активаційних і відкриттям інактиваційних воріт білків-каналів. Оскільки перші закриваються швидко, а другі відкриваються повільно, то навіть при досягненні мембранним потенціалом рівня –90 мВ збудливість ще деякий час не відновлюється. Тому тривалість періоду абсолютної рефрактерності більше тривалості ПД. Тривалість періоду абсолютної рефрактерності визначає максимально можливу кількість ПД, яка може виникати у нервовому волокні

за 1 с. Якщо в безмієлінових нервових волокнах тривалість цього періоду дорівнює 2 мс, то 1 : 0, 002 = 500 імп./с. У мієлінізованих волокнах, де тривалість абсолютної рефрактерності становить 0,4 мс, 1 : 0,0004 = = 2500 імп./с.

Вперше увагу на різну здатність збудливих структур відтворювати різну кількість подразнень звернув Н.Е Введенський (1901). Так, частота розряду рухових нервових волокон при довільних рухах, як правило, не перевищує 50 за 1 секунду. Тоді як у чутливих нервових волокнах (наприклад, у слуховому або зоровому нерві) при сильному подразненні вона може досягати 1000 за 1 секунду і більше. Максимальну кількість потенціалів дії («максимальний ритм»), яку здатна збудлива структура генерувати за 1 секунду у відповідності з ритмом подразнення, Н.Е.Введенський запропонував як показника лабільності тканини. Сьогодні зрозуміло, що максимальний ритм імпульсації нервових і м’язових волокон визначається швидкістю процесів зміни іонної провідності, які лежать в основі абсолютної і відносної рефрактерностей.

2 Період відносної рефрактерності.Виникає відразу ж за періодом абсолютної рефрактерності і становить 1/2 -1/4 від його тривалості. Для нього характерні дві риси:

• збільшення порога деполяризації. Це означає, що

у зазначений період ПД може виникати, але під впливом подразників більшої сили, ніж звичайно;

· ПД, який виникає в цей період, характеризується змінами форми – зменшуються амплітуда та крутизна наростання, збільшується тривалість.

Можливість виникнення ПД в період відносної рефрактерності пояснюється тим, що в цей час певна кількість натрієвих каналів уже відновила свій початковий стан (стан спокою) однак, значна їх кількість перебуває ще в інактивованому стані. Крім того, калієві канали ще повністю не закриті, тому калієвий вихідний струм перешкоджає виникненню ПД, який з’являється у відповідь на дію сильного подразника в період відносної рефрактерності.

Роль різних іонів у розвитку електрофізіологічних

явищ у клітинах

Як випливає з вищесказаного, провідна роль у розвитку мембранних потенціалів у збудливих клітинах належить трьом іонам: К⁺, Na⁺, Ca²⁺. Підіб'ємо підсумки уже зазначеному :

1 Іони К⁺. Вони визначають рівень ПС. Мають також значення у розвитку ПД, обумовлюючи фазу реполяризації.

2 Іони Na⁺. Є головними іонами, що визначають розвиток ПД (фаза деполяризації). У той же час впливають на остаточну величину ПС (пасивний вхід Na⁺ у клітину).

3 Іони Са²⁺. Визначають величину критичного рівня деполяризації.

Зміни збудливості в умовах патології і дії

фармакологічних агентів

Розглянемо деякі основні причини порушення збудливості:

І Порушення іонного складу позаклітинної рідини

1 Зміни концентрації іонів К⁺:

a) гіперкаліємія.Викликає деполяризацію клітинних мембран (вхід К⁺ у клітину).

Залежно від концентрації К⁺ можливі такі порушення збудливості. Якщо позаклітинний вміст К⁺ зростає від 4 до 8 мекв/л, тоді внаслідок незначної деполяризації мембрани пороговий потенціал зменшується, і збудливість зростає. Якщо концентрація К⁺ у позаклітинній рідині стає вищою за 8 мекв/л, тоді внаслідок збільшення кількості інактивованих натрієвих каналів збудливість зменшується (період відносної рефрактерності). Якщо концентрація К⁺ досягає 35 мекв/л і більше, то в результаті значної деполяризації мембрани всі натрієві канали переходять в інактивований стан. Клітина повністю втрачає збудливість (період абсолютної рефрактерності);

б) гіпокаліємія. Викликає гіперполяризацію мембрани (вихід К⁺ з клітини), внаслідок чого пороговий потенціал збільшується і збудливість зменшується.

2 Зміни концентрації Na⁺:

a) гіпонатріємія.В умовах in vivo цей стан призводить до збільшення збудливості через осмотичні механізми. Суть їх полягає у такому : зменшення позаклітинної концентрації Na⁺ ® зменшення осмотичного тиску в позаклітинному середовищі (Росм) ® перехід води у клітини (клітинний набряк) ® зменшення внутрішньоклітинної концентрації К⁺ (ефект розведення) ® зменшення ПС ® зменшення порогового потенціалу ® збільшення збудливості.

В умовах in vitro, якщо замінити Na⁺ в середовищі на інші іони для збереження Росм, ПД не виникає, оскільки не розвивається фаза деполяризації;

б) гіпернатріємія.

Впливає на збудливість через осмотичні механізми. При цьому розвиваються явища, аналогічні до гіпонатріємії, тільки у протилежному напрямку (див. вище). У результаті пороговий потенціал збільшується, збудливість знижується.

3 Зміни концентрації іонів Са²⁺:

a) гіпокальціємія.Викликає наближення критичного рівня деполяризації (Екр) до рівня ПС. При цьому пороговий потенціал зменшується, а збудливість зростає. Якщо Екр буде дорівнювати ПС, то ПД у нервових волокнах виникають спонтанно, тобто без дії подразників, – розвивається синдром тетанії (спонтанні скорочення м’язів – судоми);

б) гіперкальціємія. Викликає віддалення Екр від рівня ПС, приводить до збільшення порогового потенціалу і зменшення збудливості.

ІІ Ушкодження клітини

Завжди супроводжується стійкою деполяризацією мембрани (втратою ПС). В основі цього лежать такі механізми:

a) збільшення проникності клітинної мембрани до іонів Na⁺ (порушення бар’єрної функції мембрани);

б) порушення роботи Na⁺ - K⁺-насоса;

в) посилений розпад внутрішньоклітинних білків.

ІІІ Дія специфічних блокаторів іонних каналів

Сьогодні в експериментальних дослідах використовують речовини, що вибірково порушують провідність іонних каналів. Їх називають блокаторами каналів.До блокаторів натрієвих каналів відносять тетродотоксин і батрахотоксин – отрути деяких видів риб, які зв’язуються із зовнішньою частиною натрієвих каналів, внаслідок чого відкриття активаційних воріт стає неможливим і ПД не виникає.

До блокаторів калієвих каналів відносять тетраетиламоній. Він зв’язується з білками каналу, уповільнює відкриття воріт, у результаті чого збільшується тривалість фази реполяризації всього ПД, а також періодів абсолютної і відносної рефрактерності.

IV Місцеві анестетики

Це речовини, які використовують у медицині як місцеві знеболювальні засоби (новокаїн, прокаїн та інші).

Ці препарати утруднюють або взагалі припиняють поширення ПД по нервових волокнах.

6 ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ ЯК ПРИЧИНА ЗБУДЖЕННЯ НЕРВОВИХ І М′ЯЗОВИХ ВОЛОКОН

Серед подразників, здатних викликати ПД, найбільше значення має електричний струм.

Рисунок 6.1 – Основні методи електричної стимуляції нервових і м’язових волокон

Основу такої дії електричного струму складає його здатність спричиняти деполяризацію мембрани до або вище порогового рівня. Подібна деполяризація одержала назву стимуляції, а сам електричний струм відіграє роль стимулу.

Параметри електричного струму, що визначають

його здатність викликати збудження

1 Вихідний напрямок струму

Згідно з полярним законом подразнення (Пфлюгер, 1859) при подразненні нерва або м’яза постійним струмом збудження (ПД) виникає у момент замикання постійного струму тільки під катодом (″-″), а в момент розмикання – тільки під анодом (″+″).

Рисунок 6.2 - Електрична стимуляція за допомогою позаклітинних

електродів

При внутрішньоклітинному підведенні струму збудження (ПД) виникає тільки тоді, коли анод знаходиться всередині клітини, а катод – зовні.

Рисунок 6.3 – Внутрішньоклітинна електрична стимуляція

2 Порогова або надпорогова сила (амплітуда) електричного імпульсу

Збудження виникає тільки тоді, коли на клітину подається електричний імпульс достатньої амплітуди – порогової або надпорогової.

Порогову силу (або порогову напругу) електричного струму використовують як показник збудливості нервів та м’язів.

Існує така закономірність: чим вища збудливість досліджуваних структур, тим менша порогова сила електричного струму і навпаки.

3 Порогова і надпорогова тривалість електричного імпульсу

Для того щоб викликати збудження, електричний імпульс повинен бути достатньої (порогової або надпорогової) тривалості.

Між пороговою силою електричного струму і пороговою тривалістю електричного імпульсу існує обернена залежність. Вона у фізіології одержала назву ″ закон гіперболи″ або кривої ″сили - часу″.

Рисунок 6.4 – Крива ″сили-часу″

Аналізуючи залежність ″сила - час″, виділяють такі показники:

а) реобазу (ОА) – мінімальна сила постійного струму, здатна викликати збудливість (поріг подразнення);

б) корисний час (ОС) – найменший час, протягом якого повинен діяти електричний стимул величиною в одну реобазу для того, щоб викликати збудження;

в) хронаксію (OF) – найменший час, протягом якого повинен діяти електричний стимул величиною в дві реобази для того, щоб викликати збудження. Цей показник легше визначити, ніж корисний час, тому на практиці використовують дослідження реобази і хронаксії.

4 Порогова чи надпорогова крутизна наростання електричного імпульсу

Якщо наростання сили електричного імпульсу відбувається повільно (мала крутизна), то здатність електричного струму викликати збудження зменшується і, насамкінець, взагалі може зникати. Таке явище отримало назву акомодації.

Параметри клітини, які мають значення для

виникнення в ній збудження

1 Пасивні електричні параметри мембрани:

а) ємність мембрани (С);

б) опір мембрани (R).

Плазматична мембрана живої клітини має властивості конденсатора. Обкладки його – зовнішня і внутрішня поверхні мембрани, а діелектрик – шар ліпідів, який має значний опір. У зв’язку з наявністю в мембрані каналів, через які можуть проходити іони, опір цього шару не дорівнює нескінченності. Тому клітинну мембрану уявляють собі як конденсатор з паралельно включеним опором, через який може відбуватися вихід зарядів.

Рисунок 6.5 – Пасивні електричні параметри клітини

Чим менший добуток СR, тим швидше при даній силі електричного струму виникає збудження і навпаки.

2 Параметри збудливості мембрани:

а) величина потенціалу спокою;

б) критичний рівень деполяризації.

Різниця між цими параметрами – пороговий потенціал, або поріг деполяризації.

Потенціали, які виникають на мембрані клітини

при її електричній стимуляції

І Пасивні потенціали

Їх ще називають електротонічними, або електротонами. Вони обумовлені, власне, електричним імпульсом.

До пасивних потенціалів відносять:

1 Кателектротонічний потенціал (КЕТП). Це зміна потенціалу на ділянці катода. Оскільки катод – це електрод зі знаком ″ - ″, то на зовнішній поверхні мембрани зменшується позитивний заряд і розвивається деполяризація.

2 Анелектротонічний потенціал ( АЕТП). Це зміна потенціалу на ділянці анода. Оскільки анод є електродом зі знаком ″+″, то на зовнішній поверхні мембрани збільшується позитивний заряд, тобто виникає гіперполяризація.

Величина електротонічних потенціалів визначається пасивними електричними властивостями мембрани: ємністю та опором.

Рисунок 6.6 - Пасивні електричні потенціали

ІІ Активні потенціали

Ці потенціали, пов’язані зі зміною проникності клітинної мембрани до іонів під час дії електричного струму. До активних потенціалів відносять локальну відповідь і потенціал дії (ПД).

1 Локальна відповідь (місцеве збудження). Це додаткова активна деполяризація мембрани, яка не досягає критичного рівня.

Рисунок 6.7 – Розвиток активних потенціалів, обумовлених імпульсами електричного струму

Локальна відповідь виникає тільки на ділянці катода. Її причиною є КЕТП. Основний механізм локальної відповіді – відкриття відповідної кількості Na - каналів і вхід Na⁺ у клітину. Однак кількість відкритих Na каналів при цьому недостатня для того, щоб виник ПД. Подальша деполяризація гальмується інактивацією Na - каналів і активацією калієвих.

Перші ознаки локальної відповіді виявляються при дії струму, сила якого становить 50 – 75% від порогової величини. При збільшенні сили електричного струму збільшується величина локальної відповіді.

2 Потенціал дії (збудження, яке поширюється).

Як тільки локальна відповідь досягає критичного рівня деполяризації, виникає ПД - місцеве збудження переростає в збудження, яке поширюється.

Таким чином, механізми деполяризації мембрани до критичного рівня являють собою суму КЕТП ( пасивних змін потенціалу) і локальної відповіді (активної деполяризації).

Таблиця 6.1 - Порівняльна характеристика локальної відповіді і

потенціалу дії

Локальна відповідь	Потенціал дії
Підпорядковується закону силових відносин	Підпорядковується закону ″ все або нічого″
Місцеве збудження, яке не поширюється (поширюється на невеликі відстані із затуханням)	Це збудження, яке поширюється на великі відстані без затухання
Під час локальної відповіді збудливість збільшується	Під час ПД виникає рефрактерність
Можлива сумація локальних відповідей	ПД не додаються

Зміни збудливості нервових і м’язових волокон,

обумовлені електричним струмом

Описано декілька фізіологічних феноменів, основною рисою яких є зміни критичного рівня деполяризації під час дії на клітину електричного струму.

1 Катодична депресія

Як відмічалося, під катодом виникають КЕТП і локальна відповідь. Коли локальна відповідь досягає критичного рівня деполяризації, виникає ПД. Якщо ж підпорогова деполяризація мембрани достатньо тривала, то виникає явище катодичної депресії (рис. 6.8).

Рисунок 6.8 - Катодична депресія

Для неї характерно:

· довготривале підвищення рівня мембранного потенціалу (підпорогова деполяризація) ( Е₀);

· підвищення критичного рівня деполяризації ( Екр.);

· збільшення порога деполяризації ( ΔV );

· зменшення збудливості;

· зміна форми ПД – зменшення крутизни його наростання і амплітуди.

Основним механізмом феномену є те, що при довготривалій деполяризації збільшується кількість інактивованих натрієвих каналів і активованих калієвих.

Вважають, що явище катодичної деполяризації складає основу пресинаптичного гальмування, яке спостерігається у ЦНС.

2 Анодно-розмикальне збудження

Суть цього феномену полягає у виникненні ПД під анодом в момент вимикання електричного струму.

Рисунок 6.9 – Анодно-розмикальнее збудження

Для зазначеного явища характерні:

· зниження критичного рівня деполяризації ( Екр);

· зменшення порога деполяризації (ΔV) до рівня потенціалу спокою (Е₀);

· збільшення крутизни наростання і амплітуди ПД.

Вважають, що при гіперполяризації мембрани, що виникає під анодом, зменшується кількість інактивованих натрієвих каналів (при Е₀ певна їх кількість, хоч і невелика, є).

3 Акомодація

Рисунок 6.10 – Феномен акомодації

Суть цього явища полягає у збільшенні порога деполяризації при зменшенні крутизни наростання електричного імпульсу. Так, порогова сила електричного струму збільшується при зменшенні крутизни його наростання, а при деякій мінімальній крутизні відповідь на електричний стимул взагалі зникає.

Ознаками акомодації є:

· збільшення критичного рівня деполяризації;

· зменшення крутизни і амплітуди ПД;

· при мінімальній крутизні наростання електричного імпульсу (“критичний нахил″) ПД не виникає.

Основний механізм акомодації полягає у тому, що при повільному наростанні крутизни струму встигають інактивуватися натрієві канали і активуватися калієві ще до того, як деполяризація досягне критичного рівня.

7 МЕХАНІЗМИ ПРОВЕДЕННЯ УДЖЕННЯ (ПД)

ПО НЕРВОВОМУ І М′ЯЗОВОМУ ВОЛОКНУ

Механізм поширення ПД вздовж мембрани

Основу поширення ПД по нервових і м’язових волокнах складають локальні електричні струми, які виникають між деполяризованою ділянкою волокна і неполяризованими (спокійними) ділянками мембрани (рис.7.1).

Рисунок 7.1 - Механізм поширення ПД по нервовому волокну.

Стрілками показані локальні струми

Локальний струм, що виникає, має вихідний напрямок у ″ спокійній″ ділянці волокна, це означає, що він спричиняє деполяризацію мембрани. Остання виявляє себе розвитком КЕТП і локальної відповіді. Якщо сумарна деполяризація ( КЕТП + локальна відповідь) досягає критичного рівня, то виникає ПД. А потім все спочатку: локальний струм з’являється між деполяризованою ділянкою волокна, де щойно виник ПД, і наступною - поблизу розміщеною “спокійною” ділянкою. Таким чином, імпульс (ПД) поширюється вздовж волокна.

Деполяризація “спокійної” мембрани допорогової величини виникає на відстані 1-3 мм від місця появи ПД.

Фактори, що визначають швидкість проведення ПД

Фактори, які мають значення для проведення збудження по нервових та м’язових волокнах, можна поділити на дві групи: фізичні та фізіологічні.

І Фактори фізичні:

а) опір зовнішнього середовища, яке оточує волокно.

Якщо ділянку нервового волокна помістити у середовище, в якому немає іонів, тобто середовище, яке має великий опір (наприклад, розчин сахарози), то проведення збудження через цю ділянку повністю припиняється. Воно одразу ж відновлюється, якщо дві розділених неелектролітом ділянки волокна з’єднати металевим провідником;

б) опір внутрішнього середовища волокна. Він визначається опором аксоплазми на одиницю довжини (поздовжній опір). Цей опір залежить від площі поперечного перетину, а отже, від діаметра волокна. Що більший діаметр волокна, то менший поздовжній опір і вища швидкість проведення ПД. Протилежна картина спостерігається при зменшенні діаметра волокна;

в) пасивні електричні параметри мембрани волокна – ємність та опір.

У мієлінізованих нервових волокнах мієлін є чудовим ізолятором, тому опір мембрани дуже високий і ПД не може поширюватися через покриті мієліном ділянки волокна.

ІІ Фактори фізіологічні:

а) амплітуда ПД (Е_пд), тобто сила імпульсів збудження. Чим вище Е_пд, тим на більшу відстань від ділянки деполяризації можуть поширюватися локальні струми.

Е_пд визначається силою вхідного натрієвого струму, який, у свою чергу, залежить від концентрації Na⁺ у позаклітинному середовищі, кількості одночасно відкритих натрієвих каналів, швидкості наростання інактивації натрієвих каналів і активації калієвих;

б) збудливість волокна. Інтегральним показником цієї властивості, як уже зазначалося, є поріг деполяризації (ΔV). Усі фактори, які збільшують ΔV, зменшують швидкість проведення імпульсів аж до повної блокади.

Для характеристики фізіологічних факторів, що визначають швидкість поширення ПД по нервових волокнах, було введено показник фактор надійності (ФН).

Е_пд

ФН = ------ .

ΔV

Чим вищий ФН, тим більша швидкість проведення імпульсів і навпаки. У нормі для нервових волокон ФН = 5-6. Якщо ФН становить менше 1, то проведення ПД через таку ділянку повністю припиняється (блокада проведення). Із наведеної формули видно, що ФН зменшується, якщо Е_пд зменшується або ΔV збільшується.

Закони проведення імпульсів по нервових

і м’язових волокнах

Проведення імпульсів по волокнах підпорядковується таким законам.

1 Анатомічна і фізіологічна неперервність волокна. Є обов’язковою умовою проведення збудження. Порушення анатомічної неперервності виникає при перетині нервів або їх травмі. Під порушенням фізіологічної неперервності розуміють зміни функціональних характеристик нервового волокна, які визначають проведення імпульсів – зменшення фактора надійності (наприклад пересихання нерва).

2 Двобічне проведення. ПД поширюється в обидва боки від місця виникнення збудження, а також по розгалуженнях нервових волокон. Якщо подразнювати електричним струмом ділянку нерва, то імпульси поширюються як в аферентному, так і в еферентному напрямках.

3 Ізольоване проведення. У периферичному нерві імпульси поширюються по кожному волокну ізольовано, тобто не переходять з одного волокна на паралельне, поряд розміщене. Внаслідок цього імпульси здійснюють вплив тільки на ті клітини, з якими контактують закінчення даного нервового волокна. Ця обставина має важливе значення у зв’язку з тим, що кожний периферичний нерв містить велику кількість нервових волокон – рухових, чутливих, вегетативних, - які іннервують різні за структурою і функціями клітини та тканини.