Возбуждение нейрона. Мембранный потенциал покоя нейрона Реализация рефлекторной функции

1. Барьерная (защищает клетку, поддерживает ее форму)

2. Транспортная (определяет состав веществ внутри клетки)

3. Рецепторная (определяет специальную чувствительность данной клетки к определенной группе химических веществ)

4. Электрическая (обеспечивает создание разности потенциалов между внутренней и внешней поверхностью мембраны).

Отличительные свойства нервной клетки:

Возбудимость (способность генерировать потенциал действия при раздражении)

Проводимость (способность проводить и передавать возбуждение другим клеткам).

Электрические процессы в нейронах

Природа мембранного потенциала (потенциала покоя)

Потенциал покоя формируется благодаря пассивному (по градиентам) выходу ионов калия из клетки. В результате: -на наружной поверхности мембраны возникает избыток положительно заряженных ионов; внутри клетки остаются отрицательно заряженные крупные молекулы.

Механизм возбуждения нейрона:

1. Начальное изменение потенциала мембраны;

2. раскрывается часть натриевых каналов;

3. повышается проницаемость мембраны для натрия;

4. перемещение натрия в клетку по электрическому и химическому градиентам.

5. Рост числа положительны ионов внутри клетки;

6. Локальная деполяризация мембраны. (если деполяризация незначительна, то все сначала)

Если деполяризация достигает критической величины:

7. Раскрываются все натриевые каналы;

8. Происходит резкая деполяризация мембраны - потенциал действия (от -90 мВ до +30 мВ)

9. Натриевые каналы захлопываются и раскрываются калиевые каналы (через 0,5 мс).

10. Прекращается диффузия натрия, и начинается выход калия, который вытягивает электрический градиент.

11. Восстановление мембранного потенциала до исходных значений – реполяризация.

12. Прекращение выхода калия из клетки за счет изменения электрического градиента.

13. Включается натрий-калиевый насос.

14. Восстановление исходного ионного баланса (калий – внутри клетки, натрий – снаружи).

Ионный насос – мембранная транспортная система, обеспечивающая перенос ионов против электрохимического градиента, то есть с затратой энергии.

[рис. Потенциал действия]

Закон «все или ничего»

Если деполяризация мембраны достигает критической (пороговой) величины, то формируется потенциал действия. Если деполяризаця мембраны не достигает пороговой величины, то потенциал действия не формируется.

Преимущества сальтаторного проведения:

Экономичность (площадь перехвата менее 1% мембраны аксона)

Скорость (поле распространяется на большее расстояние).

Структурные элементы синапса:

1. Пресинаптическая мембрана (мембрана аксона, передающего нейрона)

2. Синаптическая щель (межклеточная жидкость)

3. Постсинаптическая мембрана (мембрана дендрита или сомы принимающего нейрона)

Механизм синаптической передачи.

1. Приход потенциала действия в синаптическое окончание аксона;

2. Раскрытие кальциевых каналов;

3. Повышение проницаемости мембраны для кальция;

4. Перемещение ионов кальция в клетку;

5. Деполяризация пресинаптической мембраны;

6. Выброс медиаторов в синаптическую щель (чем больше деполяризация – тем больше выброс).

7. Соединение медиатора со специфическими рецепторами постсинаптической мембраны;

8. Изменение потенциала постсинаптической мембраны;

9. Раскрытие ионных каналов;

10. Если увеличение проницаемости ионов натрия приводит к формированию ВПСП (возбудительный постинаптический потенциал), если калия и хлора – ТПСП.

Проведение в синапсах: одностороннее, с задержкой.

Свойства постсинаптических потенциалов:

Градуальность (амплитуда потенциалов переменная и отражает частоту потенциалов действия, поступающих на синапс)

Локальность (ВПСП и ТПСП распространяются по нейрону с затуханием).

Способность к суммации (суммируются потенциалы, близкорасположенные в пространстве и времени).

Функции нейроглии:

Защитная

Изолирующая

Обменная.

Функции глиальных клеток:

1. Астроциты: формируют каркас для нейронов; обеспечивают метаболизм; регенерация нерва.

2. Олигодендроциты: миелиновые оболочки аксонов.

Функционирование спинного мозга

Спинной мозг – это главный исполнительный отдел ЦНС. В его задачи входит передача команд на мышцы и железы, а также регуляция работы внутренних органов.

Корешки спинного мозга делятся на задние и передние.

Задние – чувствительные– афферентные. Состоят из аксонов клеток спинальных ганглиев. По ним предается информация от кожных рецепторов, проприорецепторов, висцерорецепторов.

Передние – двигательные – эфферентные. Состоят из аксоны мотонейронов. Направляются к мышцам к железам.

Каждый сегмент спинного мозга иннервирует три метамера тела.

Задние рога спинного мозга состоят из чувствительных (афферентых) нейронов, интернейронов (вставочных нейронв), а также клеток желатинозной субстанции (тормозные нейроны).

Передние рога состоят из мотонейронов.

Функциональные отделы серого вещества спинного мозга [рисунок]

По восходящим путям спинного мозга передаются:

- сигналы от рецепторов мышц и сухожилий (проприорецепторы) по пучкам Голяя и Бурдаха, по спиномозжечковым путям Говерса и Флексига.

Сигналы от болевых и тепературных рецепторов по латеральному спиноталамическому тракту.

Сигналы от тактильных рецепторов по вентральному спиноталамическому пути и частичто по пучкам Голля и Бурдаха.

Нисходящие пути спинного мозга. Включают в себя две системы: пирамидную и экстарпирамидную систему.

По пирамидной системе передается команды на выполнение целенаправленных движений, по кортикоспинальным путям.

По экстарпирамидной системе передаются команды поддержания позы и равновесия по ретикулоспинальным, руброспинальным, тектоспинальным, вестибулоспинальным и оливоспинальным путям.

Спинной мозг реализует две основных функции: рефлекторная и проводниковая.

Рефлекторная функция спинного мозга

Рефлекс – это стереотипная реакция организма на раздражение рецепторов, осуществляемая при участии нервной системы.

Дуга спинального соматического рефлекса [рисунок]

Фунзкциональной единицей спинного мозга является цепь, объединяющая чувствительный нейрон с мотонейроном.

Рефлекторная дейятельность спинного мозга обеспечиваеется :

1. передачей возбуждения с чувствительных нейронов на моторные нейроны.

2. Регуляцией передачи возбуждения в рефлекторной дуге.

Регуляция рефлексов осуществляется через организованное торможения.

1. Внутрисементарное торможение – скоординированная работа флексоров и экстензоров (сгибатели и разгибатели).

2. Межсегментарное тороможение – скоординировання работа мыщечных групп.

3. Эфферентное (центральное) торможение внутриспинальных тормозных связей – сила и скорость рефлекторной реакции.

Реализация рефлекторной функции:

1. обработка афферентных сигналов

2. обработка команд от управляющих структур

3. Формирование моторных команд

4. Формирование обратной афферентации

Рефлексы спинного мозга:

1. Мышечные (движения, поза).

2. Кожные (сосудистые, потоотделительные…)

3. Висцеральные (мышцы груди, спины…)

Спинальные рефлексы:

1. Простые (реализуются одним сегментом)

2. Сложные (реализуются несколькими сегментами)

Спинной мозг – это центр элементарных двигательных программ; центр врожденных двигательных автоматизмов;

Проводниковая функция спинного мозга

Заключается в передаче восходящих и нисходящих потоков информации. Восходящая информация – о положении конечностей, туловища, головы. Нисходящая информация содержит в себе команды на движения, поддержание позы и равновесия, регулирующие влияния (на рефлекторные дуги).

Вегетативная нервная система спинного мозга

Вегетативная нервная система – это та часть нервной системы, которая иннервирует внутренние органы, сосуды, железы и мышцы.

Состоит из двух отделов:

Симпатической системы (локализована в спинном мозге - в боговых рогах)

Парасимпатической системы (локализована в стволе головного мозга и в крестцовом отделе спинного мозга – в боковых рогах)

Центры симпатической НС

1. Грудной отдел спинного мозга (боковые рога)

2. Поясничные отдел спинного мозга (боковые рога)

Центры парасимпатической НС, находящиеся в спинном мозге, находятся в крестцовом отделе спинного мозга (боковые рога).

• управляемые. По механизму управления: электро-, хемо- и механоуправляемые;
• неуправляемые. Не имеют воротного механизма и всегда открыты, ионы идут постоянно, но медленно.

Потенциал покоя — это разность электрических потенциалов между наружной и внутренней средой клетки.

Механизм формирования потенциалов покоя. Непосредственная причина потенциала покоя — это неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки. Во-первых, такое расположение ионов обосновано разницей проницаемости. Во-вторых, ионов калия выходит из клетки значительно больше, чем натрия.

Потенциал действия — это возбуждение клетки, быстрое колебание мембранного потенциала вследствие диффузии ионов в клетку и из клетки.

При действии раздражителя на клетки возбудимой ткани сначала очень быстро активируются и инактивируются натриевые каналы, затем с некоторым опозданием активируются и инактивируются калиевые каналы.

Вследствие этого ионы быстро диффундируют в клетку или из нее согласно электрохимическому градиенту. Это и есть возбуждение. По изменению величин и знака заряда клетки выделяют три фазы:

• 1-я фаза — деполяризация. Уменьшение заряда клетки до нуля. Натрий движется к клетке согласно концентрационному и электрическому градиенту. Условие движения: открыты ворота натриевого канала;
• 2-я фаза — инверсия. Изменение знака заряда на противоположный. Инверсия предполагает две части: восходящую и нисходящую.

Восходящая часть. Натрий продолжает двигаться в клетку согласно концентрационному градиенту, но вопреки электрическому градиенту (он препятствует).

Нисходящая часть. Калий начинает выходить из клетки согласно концентрационному и электрическому градиенту. Открыты ворота калиевого канала;

• 3-я фаза — реполяризация. Калий продолжает выходить из клетки согласно концентрационному, но вопреки электрическому градиенту.

Критерии возбудимости

При развитии потенциала действия происходит изменение возбудимости ткани. Это изменение протекает по фазам. Состояние исходной поляризации мембраны характерно отражает мембранный потенциал покоя, которому соответствует исходное состояние возбудимости а, следовательно, исходное состояние возбудимой клетки. Это нормальный уровень возбудимости. Период предспайка — период самого начала потенциала действия. Возбудимость ткани слегка повышена. Эта фаза возбудимости — первичная экзальтация (первичная супернормальная возбудимость). Во время развития предспайка мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации и для достижения этого уровня сила раздражителя может быть меньше пороговой.

В период развития спайка (пикового потенциала) идет лавинообразное поступление ионов натрия внутрь клетки, в результате чего происходит перезарядка мембраны, и она утрачивает способность отвечать возбуждением на раздражители сверхпороговой силы. Эта фаза возбудимости получила название абсолютной рефрактерности, т.е. абсолютной невозбудимости, которая длится до конца перезарядки мембраны. Абсолютная рефрактерность мембраны возникает в связи с тем, что натриевые каналы полностью открываются, а затем инактивируются.

После окончания фазы перезарядки возбудимость ее постепенно восстанавливается до исходного уровня — это фаза относительной рефрактерности, т.е. относительной невозбудимости. Она продолжается до восстановления заряда мембраны до величины, соответствующей критическому уровню деполяризации. Поскольку в этот период мембранный потенциал покоя еще не восстановлен, то возбудимость ткани понижена, и новое возбуждение может возникнуть только при действии сверхпорогового раздражителя. Снижение возбудимости в фазу относительной рефрактерности связано с частичной инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых каналов.

Следующему периоду соответствует повышенный уровень возбудимости: фаза вторичной экзальтации или вторичной супернормальной возбудимости. Так как мембранный потенциал в эту фазу ближе к критическому уровню деполяризации, по сравнению с состоянием покоя исходной поляризации, то порог раздражения снижен, т.е. возбудимость клетки повышена. В эту фазу новое возбуждение может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы. Натриевые каналы в эту фазу инактивированы не полностью. Мембранный потенциал увеличивается — возникает состояние гиперполяризации мембраны. Удаляясь от критического уровня деполяризации, порог раздражения слегка повышается, и новое возбуждение может возникнуть только при действии раздражителей сверхпороговой величины.

Механизм возникновения мембранного потенциала покоя

Каждая клетка в состоянии покоя характеризуется наличием трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя). Обычно разность зарядов между внутренней и внешней поверхностями мембран составляет от -80 до -100 мВ и может быть измерена с помощью наружного и внутриклеточного микроэлектродов (рис. 1).

Разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны клетки в состоянии ее покоя называют мембранным потенциалом (потенциалом покоя).

Создание потенциала покоя обеспечивается двумя основными процессами — неравномерным распределением неорганических ионов между внутри- и внеклеточным пространством и неодинаковой проницаемостью для них клеточной мембраны. Анализ химического состав вне- и внутриклеточной жидкости свидетельствует о крайне неравномерном распределении ионов (табл. 1).

В состоянии покоя внутри клетки много анионов органических кислот и ионов К+, концентрация которых в 30 раз больше, чем снаружи; ионов Na+, наоборот, снаружи клетки в 10 раз больше, чем внутри; СI- также больше снаружи.

В покое мембрана нервных клеток наиболее проницаема для К+, менее — для СI- и очень мало проницаема для Na+/ Проницаемость мембраны нервного волокна для Na+ B покое в 100 раз меньше, чем для K+. Для многих анионов органических кислот мембрана в покое совсем непроницаема.

Рис. 1. Измерение потенциала покоя мышечного волокна (А) с помощью внутриклеточного микроэлектрода: М — микрозлектрод; И — индифферентный электрод. Луч на экране осциллографа (В) показывает, что до прокола мембраны микроэлектродом разность потенциалов между М и И была равна нулю. В момент прокола (показан стрелкой) обнаружена разность потенциалов, указывающая, что внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к ее наружной поверхности (по Б.И. Ходорову)

Таблица. Внутри- и внеклеточные концентрации ионов мышечной клетки теплокровного животного, ммоль/л (по Дж. Дудел)

В силу градиента концентраций К+ выходит на наружную поверхность клетки, вынося свой положительный заряд. Высокомолекулярные анионы не могут следовать за К+ из-за непроницаемости для них мембраны. Ион Na+ также не может возместить ушедшие ионы калия, ибо проницаемость мембраны для него значительно меньше. СI- по градиенту концентраций может перемешаться только внутрь клетки, увеличивая тем самым отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны. Вследствие такого перемещения ионов возникает поляризация мембраны, когда наружная ее поверхность заряжается положительно, а внутренняя — отрицательно.

Электрическое поле, которое создастся на мембране, активно вмешивается в распределение ионов между внутренним и наружным содержимым клетки. По мере возрастания положительного заряда на наружной поверхности клетки иону К+ как положительно заряженному становится все труднее перемещаться изнутри наружу. Он движется как бы в гору. Чем больше величина положительного заряда на наружной поверхности, тем меньшее количество ионов К+ может выходить на поверхность клетки. При определенной величине потенциала на мембране количество ионов К+, пересекающих мембрану в том и другом направлении, оказывается равным, т.е. концентрационный градиент калия уравновешивается имеющимся на мембране потенциалом. Потенциал, при котором диффузионный поток ионов становится равным потоку одноименных ионов, идущих в обратном направлении, называют потенциалом равновесия для данного иона. Для ионов К+ потенциал равновесия равен -90 мВ. В миелинизированных нервных волокнах величина потенциала равновесия для ионов СI- близка к значению мембранного потенциала покоя (-70 мВ). Поэтому, несмотря на то что концентрация ионов СI- снаружи волокна больше, чем внутри его, не отмечается их одностороннего тока в соответствии с градиентом концентраций. В этом случае разность концентраций сбалансирована потенциалом, имеющимся на мембране.

Ион Na+ по градиенту концентраций должен был бы входить внутрь клетки (его потенциал равновесия составляет +60 мВ), и наличие отрицательного заряда внутри клетки не должно было бы препятствовать этому потоку. В этом случае входящий Na+ нейтрализовал бы отрицательные заряды внутри клетки. Однако этого в действительности не происходит, так как мембрана в покое малопроницаема для Na+.

Важнейшим механизмом, поддерживающим низкую внутриклеточную концентрацию ионов Na+ и высокую концентрацию ионов К+, является натрий-калиевый насос (активный транспорт). Известно, что в клеточной мембране имеется система переносчиков, каждый из которых связывается стремя находящимися внутри клетки ионами Na+ и выводит их наружу. С наружной стороны переносчик связывается с двумя находящимися вне клетки ионами К+ которые переносятся в цитоплазму. Энергообеспечение работы систем переносчиков обеспечивается АТФ. Функционирование насоса по такой системе приводит к следующим результатам:

• поддерживается высокая концентрация ионов К+ внутри клетки, что обеспечивает постоянство величины потенциала покоя. Вследствие того что за один цикл обмена ионов из клетки выводится на один положительный ион больше, чем вводится, активный транспорт играет роль в создании потенциала покоя. В этом случае говорят об электрогенном насосе, поскольку он сам создает небольшой, но постоянный ток положительных зарядов из клетки, а потому вносит прямой вклад в формирование отрицательного потенциала внутри нее. Однако величина вклада электрогенного насоса в общее значение потенциала покоя обычно невелика и составляет несколько милливольт;
• поддерживается низкая концентрация ионов Na + внутри клетки, что, с одной стороны, обеспечивает работу механизма генерации потенциала действия, с другой — обеспечивает сохранение нормальных осмолярности и объема клетки;
• поддерживая стабильный концентрационный градиент Na + , натрий-калиевый насос способствует сопряженному К+, Na+ -транспорту аминокислот и Сахаров через клеточную мембрану.

Таким образом, возникновение трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя) обусловлено высокой проводимостью клеточной мембраны в состоянии покоя для ионов К + , СI-, ионной асимметрией концентраций ионов К + и ионов СI-, работой систем активного транспорта (Na+/K+ -АТФаза), которые создают и поддерживают ионную асимметрию.

Потенциал действия нервного волокна, нервный импульс

Потенциал действия - это кратковременное колебание разности потенциалов мембраны возбудимой клетки, сопровождающееся изменением ее знака заряда.

Потенциал действия является основным специфическим признаком возбуждения. Его регистрация свидетельствует о том, что клетка или ее структуры ответили на воздействие возбуждением. Однако, как уже отмечалось, ПД в некоторых клетках может возникать спонтанно (самопроизвольно). Такие клетки содержатся в водителях ритма сердца, стенках сосудов, нервной системе. ПД используется как носитель информации, передающий ее в виде электрических сигналов (электрическая сигнализации) по афферентным и эфферентным нервным волокнам, проводящей системе сердца, а также для инициирования сокращения мышечных клеток.

Рассмотрим причины и механизм генерации ПД в афферентных нервных волокнах, образующих первично воспринимающие сенсорные рецепторы. Непосредственной причиной возникновения (генерации) ПД в них является рецепторный потенциал.

Если измерять разность потенциалов на мембране ближайшего к нервному окончанию перехвата Ранвье, то в промежутках между воздействиями на капсулу тельца Пачини она остается неизменной (70 мВ), а во время воздействия деполяризуется почти одновременно с деполяризацией рецепторной мембраны нервного окончания.

При увеличении силы давления на тельце Пачини, вызывающей возрастание рецепторного потенциала до 10 мВ, в ближайшем перехвате Ранвье обычно регистрируется быстрое колебание мембранного потенциала, сопровождающееся перезарядкой мембраны — потенциал действия (ПД), или нервный импульс (рис. 2). Если сила давления на тельце возрастет еще больше, амплитуда рецепторного потенциала увеличивается и в нервном окончании генерируется уже ряд потенциалов действия с определенной частотой.

Рис. 2. Схематическое представление механизма преобразования рецепторного потенциала в потенциал действия (нервный импульс) и распространения импульса по нервному волокну

Суть механизма генерации ПД состоит в том, что рецепторный потенциал вызывает возникновение локальных круговых токов между деполяризованной рецепторной мембраной немиелинизированной части нервного окончания и мембраной первого перехвата Ранвье. Эти токи, носителями которых являются ионы Na+, К+, СI- и другие минеральные ионы, «протекают» не только вдоль, но и поперек мембраны нервного волокна в области перехвата Ранвье. В мембране перехватов Ранвье в отличие от рецепторной мембраны самого нервного окончания имеется большая плотность ионных потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов.

При достижении на мембране перехвата Ранвье величины деполяризации около 10 мВ происходит открытие быстрых потенциалзависимых натриевых каналов и через них в аксоплазму по электрохимическому градиенту устремляется поток ионов Na+. Он обусловливает быструю деполяризацию и перезарядку мембраны перехвата Ранвье. Однако одновременно с открытием быстрых потенциалзависимых натриевых каналов в мембране перехвата Ранвье открываются медленные потенциалзависимые калиевые каналы и из аксоилазмы начинают выходить ионы К+ Их выход запаздывает по отношению ко входу ионов Na+. Таким образом, входящие с большой скоростью в аксоплазму ионы Na+ быстро деполяризуют и перезаряжают на короткое время (0,3-0,5 мс) мембрану, а выходящие ионы К+ восстанавливают исходное распределение зарядов на мембране (реполяризуют мембрану). В результате во время механического воздействия на тельце Пачини силой, равной или превышающей пороговую, на мембране ближайшего перехвата Ранвье наблюдается кратковременное колебание потенциала в виде быстрой деполяризации и реполяризации мембраны, т.е. генерируется ПД (нервный импульс).

Поскольку непосредственной причиной генерации ПД является рецепторный потенциал, то его в этом случае еще называют генераторным потенциалом. Число генерируемых в единицу времени одинаковых по амплитуде и длительности нервных импульсов пропорционально амплитуде рецепторного потенциала, а следовательно, силе давления на рецептор. Процесс преобразования информации о силе воздействия, заложенной в амплитуде рецепторного потенциала, в число дискретных нервных импульсов получил название дискретного кодирования информации.

Более подробно ионные механизмы и временная динамика процессов генерации ПД изучены в экспериментальных условиях при искусственном воздействии на нервное волокно электрическим током различной силы и длительности.

Природа потенциала действия нервного волокна (нервного импульса)

Мембрана нервного волокна в точке локализации раздражающего электрода отвечает на воздействие очень слабого тока, еще не достигшего порогового значения. Этот ответ получил название локального, а колебание разности потенциалов на мембране — локального потенциала.

Локальный ответ на мембране возбудимой клетки может предшествовать возникновению потенциала действия или возникать как самостоятельный процесс. Он представляет собой кратковременное колебание (деполяризация и реполяризация) потенциала покоя, не сопровождающееся перезарядкой мембраны. Деполяризация мембраны при развитиии локального потенциала обусловлена опережающим входом в аксоплазму ионов Na+, а реполяризация — запаздывающим выходом из аксоплазмы ионов К+.

Если воздействовать на мембрану электрическим током возрастающей силы, то при се величине, называемой пороговой, деполяризация мембраны может достигнуть критического уровня — Е к, при котором происходит открытие быстрых потенциалзависимых натриевых каналов. В результате через них происходит лавинообразно нарастающее поступление в клетку ионов Na+. Вызываемый процесс деполяризации приобретает самоускоряющийся характер, и локальный потенциал перерастает в потенциал действия.

Уже упоминалось, что характерным признаком ПД является кратковременная инверсия (перемена) знака заряда на мембране. Снаружи она на короткое время (0,3-2 мс) становится заряженной отрицательно, а внутри — положительно. Величина инверсии может составлять до 30 мВ, а величина всего потенциала действия — 60-130 мВ (рис. 3).

Таблица. Сравнительная характеристика локального потенциала и потенциала действия

Потенциал действия в зависимости от характера изменения зарядов на внутренней поверхности мембраны подразделяют на фазы деполяризации, реполяризации и гиперполяризации мембраны. Деполяризацией называют всю восходящую часть ПД, на которой выделяют участки, соответствующие локальному потенциалу (от уровня Е 0 до Е к ), быстрой деполяризации (от уровня Е к до уровня 0 мВ), инверсии знака заряда (от 0 мВ до пикового значения или начала реполяризации). Реполяризацией называют нисходящую часть ПД, которая отражает процесс восстановления исходной поляризации мембраны. Вначале реполяризация осуществляется быстро, но, приближаясь к уровню Е 0 , скорость се может замедляться и этот участок называют следовой отрицательностью (или следовым отрицательным потенциалом). У некоторых клеток вслед за реполяризацией развивается гиперполяризация (возрастание поляризации мембраны). Ее называют следовым положительным потенциалом.

Начальную высокоамплитудную быстропротекающую часть ПД называют также пик, или спайк. Он включает фазы деполяризации и быстрой реполяризации.

В механизме развития ПД важнейшая роль принадлежит потенциалзависимым ионным каналам и неодновременному увеличению проницаемости клеточной мембраны для ионов Na+ и К+. Так, при действии на клетку электрического тока он вызывает деполяризацию мембраны и, когда заряд мембраны уменьшается до критического уровня (Е к), открываются потенциалзависимые натриевые каналы. Как уже упоминалось,эти каналы образованы встроенными в мембрану белковыми молекулами, внутри которых имеются пора и два воротных механизма. Один из воротных механизмов — активационный обеспечивает (при участии сегмента 4) открытие (активацию) канала при деполяризации мембраны, а второй (при участии внутриклеточной петли между 3-м и 4-м доменами) — его инактивацию, развивающуюся при перезарядке мембраны (рис. 4). Поскольку оба этих механизма быстро изменяют положение ворот канала, то потенциалзависимые натриевые каналы являются быстрыми ионными каналами. Это обстоятельство имеет определяющее значение для генерации ПД в возбудимых тканях и для его проведения по мембранам нервных и мышечных волокон.

Рис. 3. Потенциал действия, его фазы и ионные токи (а, о). Описание в тексте

Рис. 4. Положение ворот и состояние активности потенциалзависимых натриевого и калиевого каналов при различных уровнях поляризации мембраны

Чтобы потенциалзависимый натриевый канал мог пропускать внутрь клетки ионы Na+, необходимо открыть лишь активационные ворота, поскольку инактивационные в условиях покоя открыты. Это и происходит, когда деполяризация мембраны достигает уровня Е к (рис. 3, 4).

Открытие активационных ворот натриевых каналов приводит к лавинообразному вхождению натрия внутрь клетки, движимому действием сил его электрохимического градиента. Поскольку ионы Na+ несут положительный заряд, то они нейтрализуют избыток отрицательных зарядов на внутренней поверхности мембраны, снижают разность потенциалов на мембране и деполяризуют ее. Вскоре ионы Na+ придают внутренней поверхности мембраны избыток положительных зарядов, что сопровождается инверсией (сменой) знака заряда с отрицательного на положительный.

Однако натриевые каналы остаются открытыми лишь около 0,5 мс и через этот промежуток времени от момента начала

ПД закрываются инактивационные ворота, натриевые каналы становятся инактивированными и непроницаемыми для ионов Na+, поступление которых внутрь клетки резко ограничивается.

С момента деполяризации мембраны до уровня Е к наблюдаются также активация калиевых каналов и открытие их ворот для ионов К+. Ионы К+ под действием сил концентрационного градиента выходят из клетки, вынося из нее положительные заряды. Однако воротный механизм калиевых каналов является медленно функционирующим и скорость выхода положительных зарядов с ионами К+ из клетки наружу запаздывает по отношению ко входу ионов Na+. Поток ионов К+, удаляя из клетки избыток положительных зарядов, обусловливает восстановление на мембране исходного распределения зарядов или ее реполяризацию, и на се внутренней стороне через мгновение от момента перезарядки восстанавливается отрицательный заряд.

Возникновение ПД на возбудимых мембранах и последующее восстановление исходного потенциала покоя на мембране оказываются возможными потому, что динамика входа в клетку и выхода из клетки положительных зарядов ионов Na+ и К+ различна. Вход иона Na+ по времени опережает выход иона К+. Если бы эти процессы были равновесными, то разность потенциалов на мембране не изменялась бы. Развитие способности к возбуждению и генерации ПД возбудимыми мышечными и нервными клетками было обусловлено формированием в их мембране двух типов разноскоростных ионных каналов — быстрых натриевых и медленных калиевых.

Для генерации одиночного ПД требуется поступление в клетку относительно небольшого числа ионов Na+, которое не нарушает его распределения вне и внутри клетки. При генерации большого числа ПД распределение ионов по обе стороны мембраны клетки могло бы нарушиться. Однако в нормальных условиях это предотвращается работой Na+, К+ -насоса.

В естественных условиях в нейронах ЦНС потенциал действия первично возникает в области аксонного холмика, в афферентных нейронах — в ближайшем к сенсорному рецептору перехвате Ранвье нервного окончания, т.е. в тех участках мембраны, где имеются быстрые селективные потенциалзависимые натриевые каналы и медленные калиевые каналы. В других типах клеток (например, пейсмекерных, гладких миоцитах) в возникновении ПД играют роль не только натриевые и калиевые, но и кальциевые каналы.

Механизмы восприятия и преобразования в ПД сигналов во вторично чувствующих сенсорных рецепторах отличаются от механизмов, разобранных для первично чувствствующих рецепторов. В этих рецепторах восприятие сигналов осуществляется специализированными нейросенсорными (фоторецепторные, обонятельные) или сенсоэпителиальными (вкусовые, слуховые, вестибулярные) клетками. В каждой из этих чувствительных клеток имеется свой, особый механизм восприятия сигналов. Однако во всех клетках энергия воспринимаемого сигнала (раздражителя) преобразуется в колебание разности потенциалов плазматической мембраны, т.е. в рецепторный потенциал.

Таким образом, ключевым моментом в механизмах преобразования сенсорными клетками воспринимаемых сигналов в рецепторный потенциал является изменение проницаемости ионных каналов в ответ на воздействие. Открытие Na+, Са 2+ , К+ -ионных каналов при восприятии и преобразовании сигнала достигается в этих клетках при участии G-белков, вторых внутриклеточных посредников, связывании с лигандами, фосфорилировании ионных каналов. Как правило, возникший в сенсорных клетках рецепторный потенциал вызывает высвобождение из них в синаптическую щель нейромедиатора, который обеспечивает передачу сигнала на постсинаптическую мембрану афферентного нервного окончания и генерацию на его мембране нервного импульса. Эти процессы подробно описаны в главе, посвященной сенсорным системам.

Потенциал действия может быть охарактеризован амплитудой и продолжительностью, которые для одного и того же нервного волокна остаются одинаковыми при распространении ПД по волокну. Поэтому потенциал действия называют дискретным потенциалом.

Между характером воздействия на сенсорные рецепторы и числом ПД, возникших в афферентном нервном волокне в ответ на воздействие, имеется определенная связь. Она заключается в том, что на большие но силе или продолжительности воздействия в нервном волокне формируется большее число нервных импульсов, т.е. при усилении воздействия в нервную систему будут посылаться от рецептора импульсы большей частоты. Процессы преобразования информации о характере воздействия в частоту и другие параметры нервных импульсов, передаваемых в ЦНС, получили название дискретного кодирования информации.

Различная концентрация веществ внутри и вне клетки является одним из важнейших признаков жизни. Всякая клетка, находящаяся в полном концентрационном равновесии с окружающей ее средой, мертва. Правда, многие вещества, в первую очередь вода, проникают в клетку по градиенту их концентраций. Однако имеется огромное количество веществ, не следующих этому правилу.

Если разделить различные вещества на классы в соответствии с их проницаемостью, то среди них можно выделить следующие основные группы.Неполярные вещества , характеризующиеся равномерным распределением электронов между атомами, образующими молекулу.Неполные полярные соединения , в которых электроны, связывающие атомы, больше притягиваются к одному из них, вследствие чего молекула превращается в диполь.Ионные соединения, или электролиты , где валентные электроны связаны лишь с одним из атомов или радикалов. В средах, обладающих высокой диэлектрической постоянной, эти связи сильно ослабляются, и отдельные части молекулы ведут себя как самостоятельные ионы. Здесь происходит диссоциация электролита на ионы: положительные - анионы и отрицательные - катионы.

Оставив в стороне вопрос о проникновении в клетку соединений двух первых классов, остановимся более подробно на характере проникновения и распределения различных ионов между клеткой и окружающей ее средой, поскольку именно это распределение лежит в основе мембранного потенциала (МП) клетки.

В настоящее время экспериментально доказано, что содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к ее наружной поверхности и окружающей среде. Этот заряд неодинаков у различных клеток и в большинстве случаев колеблется в пределах от -50 до -100 мв (табл. 9). Наличие электрического заряда указывает на неодинаковое распределение электролитов по обе стороны клеточной поверхностной мембраны, которое принято называть ионной асимметрией.

Таблица 9. Величины мембранных потенциалов (МП) различных возбудимых клеток (по Латманизовой, 1965)

Каким образом возникает ионная асимметрия по разные стороны клеточной мембраны? Для выяснения этого вопроса следует хотя бы в общей форме рассмотреть поведение электролитов при прохождении через любую полупроницаемую перепонку.

Все растворенные вещества, в том числе и ионизированные, перемещаются (в случае неравномерного распределения в растворе) согласно градиенту концентрации от участков с более высокой концентрацией к участкам с меньшей концентрацией. Если участки раствора с неодинаковой концентрацией разделены какой-либо мембраной, то диффузия растворенных веществ более или менее замедляется. Ионные компоненты растворенных электролитов - анионы и катионы - нередко обладают разной проницаемостью, а следовательно, и разной подвижностью. Это связано с размерами и конфигурацией ионов, а также с величиной их гидратных оболочек. Например, образующиеся при диссоциации поваренной соли катион Na + и анион Сl - обладают различной подвижностью. Подвижность и проницаемость Na + гораздо ниже, чем Сl - . Это соответствует размерам их гидратированных диаметров 2.14 Å для Сl - и 3.4 Å для Na + . При диффузионном проникновении через мембрану из района более высокой концентрации электролита в район меньшей его концентрации ионы Сl - будут переходить на другую сторону мембраны гораздо скорее ионов Na + , так что одна из ее поверхностей на некоторое время зарядится положительно, а другая - отрицательно.

Если мембрана окажется проницаемой только для ионов Сl - и непроницаемой для ионов Na + , то возникает уже не временная, а постоянная разность потенциалов между растворами по обе стороны мембраны. Такая разность потенциалов носит названиеконцентрационной разности потенциалов и может быть рассчитана по уравнению Нернста:

где Е - разность потенциалов, в мв; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; n - валентность; С 1 - более высокая, С 2 - более низкая из двух концентраций; F - число Фарадея.

Приведенные закономерности касаются того случая, когда находящиеся по обе стороны полупроницаемой мембраны растворы содержат одни и те же ионы, но в разных концентрациях.

Однако, как известно, протоплазма клетки и внеклеточной жидкости различаются не только по концентрациям, но и по составу ионов, поэтому представления о концентрационном потенциале недостаточны для объяснения событий, разыгрывающихся в районе клеточной мембраны.

Рассмотрим упрощенный случай, более близкий к реальным соотношениям электролитов в клетке. Допустим, что некая мембрана разделяет два разных электролита NaCl и КСl одинаковой концентрации:

Допустим также, что эта мембрана проницаема как для анионов Сl - , так и для обоих катионов, однако ее проницаемость для К + значительно выше, чем для Na + . Тогда К + как более подвижный ион распределяется равномерно по обе стороны мембраны гораздо скорее, чем Na + , и на все время оставания в уравнивании концентраций Na + одна из сторон мембраны, а именно та, где первоначально находился NaCl, зарядится положительно по отношению к противоположной стороне. Возникающий таким путем потенциал принято называть химическим потенциалом. Если бы мембрана была полностью непроницаемой для Na + , то этот потенциал стал бы постоянным.

В случае клеточного МП все процессы носят гораздо более сложный характер. Прежде всего электролитный состав внутриклеточной и внеклеточной среды довольно сложен и, помимо КCl и NaCl, содержит ряд других ионов, среди которых особенно важную роль в создании мембранного потенциала играют крупные органические анионы, неспособные проникать через клеточную оболочку. Приблизительные концентрации различных ионов в мышечной клетке млекопитающих приведены в табл. 10.

Таблица 10. Приблизительные концентрации ионов и потенциалы равновесия в мышечном волокне млекопитающих и внеклеточной жидкости (по J. W. Woodbury, 1963)

* (Рассчитано по мембранному потенциалу с помощью уравнения Нернста. )

Как видно из таблицы, внеклеточная среда характеризуется относительно высокой концентрацией ионов Na + и Сl - и низкой концентрацией ионов К + . Внутриклеточная среда, наоборот, содержит незначительные количества Na + и Сl - , но отличается высоким содержанием К + . Кроме того, внутри клетки содержится свыше 150 мМ высокомолекулярных органических анионов А - на 1 л внутриклеточной воды, по-видимому, белкового происхождения. Поэтому при построении дальнейших рассуждений необходимо принять во внимание этот дополнительный фактор.

На рис. 20 представлена очень упрощенная схема процессов, происходящих на клеточной мембране. При рассмотрении схемы делается допущение, что мембрана непроницаема не только для высокомолекулярных анионов А - , но и для ионов Na + .

Рис. 20. Формирование трансмембранного потенциала под влиянием концентрационных градиентов. (Woodbury, 1963). Размеры символов в правой и левой колонках указывают на относительную концентрацию ионов во вне- и внутриклеточной жидкости. Пунктирные стрелки и кружки - направление движения ионов, К + , A - , Na + и Сl - при перемещении К + или Сl - через мембранные поры. Остальные объяснения в тексте

Пусть в какой-то исходный момент времени по обе стороны мембраны среда с растворенными в ней ионами электрически нейтральна, т. е. положительные и отрицательные частицы по обе стороны мембраны уравновешивают друг друга. Проследим поведение частиц, способных проникать через "мембранные поры". * Ввиду высокой внутриклеточной концентрации ионов К + эти ионы будут диффундировать через клеточную мембрану изнутри кнаружи в соответствии с градиентом концентрации. Уравновешивающие электрический заряд ионов К + высокомолекулярные анионы не могут их сопровождать ввиду того, что мембрана для них непроницаема. Ионы Na + также не могут заменить их во внутриклеточной среде, так как, согласно допущению, они не проникают через мембрану снаружи внутрь. В результате возникает частичное разделение зарядов вокруг мембраны. Наружная ее сторона в результате появившегося избытка калия во внеклеточной среде начинает заряжаться положительно, а внутренняя сторона из-за появления не нейтрализованных калием высокомолекулярных ионов А - заряжается отрицательно. В районе мембраны возникает электрическое поле, которое начинает вмешиваться в происходящий процесс, поскольку диффундирующие ионы К + имеют заряд. Как известно, одноименные электрические заряды отталкиваются, поэтому возникающий во внеклеточной среде положительный заряд начинает противодействовать дальнейшему поступлению ионов К + изнутри клетки наружу. Таким образом, диффузия К + из клетки наружу вызывает возникновение электростатических сил, препятствующих первичному диффузионному процессу, т. е. создается отрицательная обратная связь, ограничивающая выход К + из клетки. Когда положительный потенциал внешней среды по отношению к соответственно нарастающему внутриклеточному отрицательному потенциалу достигает определенной величины, устанавливается динамическое равновесие между числом выходящим из клетки ионов К + и числом этих ионов, входящих в клетку. Соответствующую этому моменту разность потенциалов по обе стороны мембраны обычно обозначают какпотенциал равновесия для данного иона . Из хода рассуждений ясно, что его величина зависит от соотношений внутренней и наружной концентрации этого иона и может быть вычислена из уравнения Нернста.

* (Выражение "мембранные поры" не следует понимать буквально, как отверстия определенной величины. Неодинаковая проницаемость мембраны к различным частицам, по-видимому, связана со сложным взаимодействием между молекулами мембраны и этими частицами. Тем не менее размер проникающих частиц, как будет видно из дальнейшего изложения, играет существенную роль. )

Аналогичные рассуждения можно провести в отношении иона Сl - . Этот анион начинает поступать в условный исходный момент снаружи внутрь в связи с его относительно высокой концентрацией во внеклеточной жидкости. При этом внутри клетки создается отрицательный заряд, а на наружной поверхности мембраны - положительный. Как и в случае с К + , создается отрицательная обратная связь, в конце концов ограничивающая поступление ионов Сl - внутрь клетки по достижении потенциала равновесия между наружной и внутренней средой.

Естественно, что процесс выхода К + из клетки и процесс вхождения в клетку ионов Сl - находится во взаимодействии и уровень устанавливающейся разности потенциалов определяется совокупностью происходящих событий.

На приведенной схеме не трудно разобраться в некоторых механизмах формирования МП покоящейся живой клетки. * Количественные расчеты с использованием уравнения Нернста показывают, что ионы Сl - и К + распределяются по обе стороны мембраны приблизительно в соответствии с величиной МП, так что электрические и концентрационные градиенты уравновешивают друг друга.

* (Покоящейся условно называется клетка, не реализующая своей специфической деятельности. Как будет видно из дальнейшего, понятие покоя является физиологической абстракцией. )

Действительно описанный механизм возникновения МП мог бы иметь место, если бы мембрана клетки была полностью непроницаема для ионов Na + . Однако изящные и строгие исследования Ходжкина и Кейнса (Keynes, 1954; Hodgkin a. Keynes, 1955) с использованием радиоактивного изотопа натрия Na24 показали, что клеточная мембрана проницаема для Na + , хотя его проницаемость приблизительно в 50 раз ниже проницаемости для К + и Сl - . На икроножной мышце лягушки экспериментально было показано (Keynes, 1954), что за секунду через 1 см 2 клеточной поверхности внутрь мышечного волокна проникает около 10 -11 M Na + . При таком "втекании" Na + внутрь клетки без соответствующего "вытекания" из нее его внутриклеточная концентрация в течение часа должна была бы удвоиться. Однако этого на самом деле не происходит, хотя и концентрационный и электрический градиенты "понуждают" Na + поступать внутрь клетки. Следовательно, должны существовать какие-то специальные механизмы, обеспечивающие прохождение ионов Na + через мембрану против электрохимического градиента, т. е. изнутри наружу. Эти механизмы получили название активного переноса. Для осуществления последнего необходима постоянная затрата энергии, вырабатывающейся в результате клеточных метаболических процессов.

К сожалению, до сих пор остается невыясненным, каким образом энергия клеточного метаболизма используется при активном переносе, однако имеются достаточно четкие экспериментальные данные об участии в этом процессе аденозинтрифосфата и некоторых других фосфатов (Caldwell a. Keynes, 1957; Caldwell, Hodgkin, Keynes a. Shaw, 1960a; Hogdkin, 1964).

Прямую связь между активным переносом и обменом веществ впервые показали Ходжкин и Кейнс (Hodgkin a. Keynes, 1955) в своих исследованиях на гигантском аксоне каракатицы (sepia). Методика исследования основывалась на использовании радиоизотопа натрия - Na 24 и позволила выявить ряд интересных закономерностей активного переноса. Прежде всего оказалось, что ингибиторы обмена веществ (динитрофенол, цианид, азид), блокирующие определенные звенья обменных окислительных реакций, почти полностью подавляют процесс выведения Na + из клетки * . Аналогично действует снижение температуры препарата, резко уменьшающее уровень обменных процессов (рис. 21).

* (В последнее время показано также блокирующее действие азида на активный перенос ионов Na + в мотонейронах спинного мозга кошек (Ito a. Oshima, 1964). )

Рис. 21. Выход ионов Na + из гигантского аксона (каракатицы) при изменении состава омывающего раствора добавлением динитрофенола (ДНФ) (А) и изменении температуры (Б) (Hodgkin a. Keynes, 1955). По оси абсцисс - время, в мин.; по оси ординат - выход радиоактивного Na 24 из клетки, измеренный в импульсах в мин. Общий выход N + (радиоактивного и обычного) пропорционален выходу радиоактивного Na + , исключая те изменения, которые возникают в результате постепенного разведения радиоактивного Na + обычным ввиду естественных ионнообменных процессов (это постепенное падение концентрации радиоактивного Na + показано в графе "морская вода")

Далее было обнаружено, что выведение Na + в общем пропорционально его внутренней концентрации и не зависит от его наружной концентрации. В то же время выход Na + резко уменьшается при снижении концентрации калия во внешней среде и увеличивается при повышении внешней концентрации К + . Эта зависимость также показана на рис. 21. Кроме того, выяснилось, что метаболические яды снижают также поступление К + из внешней среды внутрь аксона и что этот процесс блокируется указанными воздействиями почти в такой же степени, как выведение Na + из клетки. Все это позволило сделать заключение, что механизм активного переноса работает по принципу электронейтральности, "вынося" ионы Na + из клетки и "внося" в клетку эквивалентное количество ионов К + (Hodgkin, 1958). *

* (Позднее было обнаружено, что связь между выведением Na + и введением внутрь клетки К + при активном переносе довольно свободная, во всяком случае не абсолютно жесткого типа (один к одному), как это предполагалось вначале (Caldwell, Hodgkin, Keynes a. Shaw, 1960a, 1960b). До последнего времени считалось, что активный перенос определяется уровнем внутренней концентрации Na + (Hodkin a. Keynes, 1956; Hodgkin, 1958). В последних работах Экклса и его сотрудников приводятся данные о том, что калиевый компонент активного переноса активируется снижением внутренней концентрации К и что при этом внутрь клетки активно переносится КСl (Eccles, 1964; Eccles, Eccles a. Ito, 1964). )

Возникает вопрос, как может механизм, основанный на принципе электронейтральности, создавать поляризацию мембраны. Это не трудно понять, если учесть, что внутри клетки имеет место значительное количество высокомолекулярных анионов А - и что проницаемость ионов Na + в 50 раз ниже проницаемости ионов К + . Будучи выведен из клетки механизмом активного переноса, натрий благодаря диффузии возвращается в клетку в 50 раз медленнее, чем введенный внутрь клетки калий выходит из нее в виде диффузионного потока. К тому же калий диффундирует из клетки в сопровождении нейтрализующего его иона Сl - . В результате перечисленных процессов абсолютное количество положительных ионов внутри клетки убывает: активно выводится Na + и пассивно - сопровождаемый ионами Сl - калий. В клетке возникает избыток отрицательных зарядов благодаря наличию высокомолекулярных ионов А - .

Это, конечно, весьма упрощенная система рассуждений. Тем не менее она в общих чертах отражает существо явлений, не касаясь некоторых усложняющих деталей, например, вопроса о распределении в этих условиях воды.

Существует много различных гипотез, в которых делается попытка объяснить механизм активного переноса, однако ни одна из них не доказана экспериментально. Наиболее привлекательны схемы с так называемым "промежуточным носителем". В качестве примера можно привести схему Шоу-Глинна (Glynn, 1957) (рис. 22) Преимущество такой схемы заключается в том, что она не предполагает жесткой связи между выведением Na + и поступлением в клетку К + . Так, сохранение частичного выведения Na + при полном отсутствии К + во внешней среде может быть объяснено тем, что Na + имеет также некоторое сродство и к субстанциих . Гипотетическая схема должна объяснять такую возможность, поскольку выведение Na + действительно частично сохраняется даже при полном отсутствии К + во внеклеточной среде.

Рис. 22. Гипотетическая схема калий-натриевого обменного "насоса". (Glynn, 1957). Предполагается, что субстанции X и Y функционируют внутри мембраны. X обладает большим сродством к К + ; Y обладает большим сродством к Na + . X и У перемещаются через мембрану только в комбинации с соответствующим ионом

До сих пор все явления и механизмы, связанные с генерацией МП, в целях простоты изложения описывались лишь с качественной стороны. Однако для более ясного представления о происходящих процессах целесообразно привести некоторые количественные характеристики поляризации мембраны, тем более что это позволит также составить более четкое представление об объеме происходящих ионообменных процессов. *

* (Нижеследующий цифровой материал взят из "Нейрофизиологии" Т. Ру и соавторов (Ruch et al., 1963). )

Емкость мембраны поперечнополосатого мышечного волокна лягушки определена в эксперименте и составляет около 10 мкф на см 2 . Величина заряда мембраны - этого биологического конденсатора - определяется величиной разности потенциалов по обе стороны мембраны (Е м) и ее емкостью (С м): q = C м ⋅ Е м. Е м примем за 90 мв. Тогда заряд q = 10 × 10 -6 ф/см 2 × 0.09 в = 9 × 10 -7 кулонов на 1 см 2 . Если пересчитать полученную величину заряда на число ионов, участвующих в его формировании, то получаются следующие результаты.

По закону Авогадро 1 граммолекула содержит 6.023 × 10 23 молекул. В данном случае мы имеем дело с одновалентными ионами, несущими на себе 1 ед. заряда, равную по величине заряду одного электрона. Заряд электрона, выраженный в кулонах, составляет 1.6 × 10 -19 . Тогда заряд одного моля одновалентных катионов составляет 1.6 × 10 -19 × 6.023 × 10 23 = 96500 кулонов. Поскольку заряд на клеточной мембране мышечного волокна составляет 9 × 10 -7 кулонов см 2 , то это означает, что эта мембрана на участке 1 см 2 разделяет всего 9 × 10 -7 /96500 = 9.5 × 10 -12 моля ионизированных одновалентных частиц. В то же время в 1 см 3 внутриклеточной жидкости содержится 1.5 × 10 -6 моля катионов или анионов, т. е. в несколько миллионов раз больше. Подсчеты показывают, что слой внутриклеточной жидкости толщиной всего в 6 Å обеспечивает достаточное количество ионов, чтобы создать на мембране потенциал в 90 мв.

Эти величины поясняют, какое незначительное количество ионов от их общего числа в клетке принимает участие в поддержании МП и, как это будет показано ниже, в генерации потенциала действия.

Следует также отметить, что клетка располагает достаточными энергетическими возможностями для осуществления активного переноса Na + . Кейнс и Майзель (Keynes a. Maisel, 1954) экспериментально показали, что расход энергии на активный перенос Na + в скелетной мышце лягушки значительно меньше общих энергетических расходов клетки, рассчитанных по потреблению кислорода. * В большинстве опытов в покоящейся мышце только около 10% энергетических расходов идет на активное выведение Na + . Если принять, что коэффициент полезного действия при активном переносе составляет только 50% или даже меньше, то все равно энергетический расход на этот процесс образует относительно небольшую часть энергии, вырабатываемой клеткой. Эти количественные данные существенно подкрепляют концепцию механизма активного переноса, показывая, что с точки зрения энергетического баланса клетки подобный процесс вполне возможен.

Сигнал по мембране нейрона передается в виде коротких элект-рических импульсов – потенциалов действия (ПД). Этот процесс можно сравнить с передачей информации с помощью включения и выключения фонарика (ПД = «вспышка света»).

Но для того, чтобы фонарик работал, нужна батарейка – источник электрической энергии. В случае нейрона таким источником является постоянный внутриклеточный заряд – потенциал покоя (ПП).

Нервные клетки ограничены липопротеиновой мембраной, являющейся электрическим изолятором. Между содержимым клетки и внеклеточной жидкостью существует разность потенциалов, так называемый мембранный потенциал.

В клетке как в единой системе все части - цитоплазма, ядро, органоиды - должны удерживаться вместе. Для этого в процессе эволюции развилась клеточная мембрана, которая, окружая каждую клетку, отделяет ее от внешней среды. Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки - цитоплазму и ядро - от повреждений, поддерживает постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещества и выводит из клетки продукты обмена. Строение мембраны у всех клеток одинаково. Ее толщина составляет приблизительно 8 нм (1 нм =10Ý(-9)м).

Основу мембраны составляет двойной слой молекул липидов, в котором расположены многочисленные молекулы белков. Одни белки находятся на поверхности липидного слоя, другие пронизывают оба слоя липидов насквозь. Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из нее могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие небольшой диаметр. Однако более крупные частицы через мембранные каналы пройти не могут.

В состоянии покоя наружная поверхность клетки всегда электроположительна по отношению к внутренней, т.е. поляризована. Эта разность потенциалов, называется потенциалом покоя, или мембранным потенциалом (МП). В образовании потенциала принимают участие 4 вида ионов: катионы натрия (положительный заряд), катионы калия (положительный заряд), анионы хлора (отрицательный заряд), анионы органических соединений (отрицательный заряд). Во внеклеточной жидкости высока концентрация ионов натрия и хлора, во внутриклеточной жидкости – ионов калия и органических соединений. В состоянии относительного физиологического покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для катионов калия, чуть хуже для анионов хлора, практически непроницаема для катионов натрия и совершенно непроницаема для анионов органических соединений.

В покое ионы калия без затрат энергии выходят в область меньшей концентрации (на наружную поверхность клеточной мембраны), неся с собой положительный заряд. Ионы хлора проникают внутрь клетки, неся отрицательный заряд. Ионы натрия продолжают оставаться на наружной поверхности мембраны, еще больше усиливая положительный заряд.

Электрические процессы в клетках обусловлены неравномерным распределением ионов по обе стороны клеточной мембраны.

1.1. Строение нейрона

По современным представлениям нервная клетка (нейрон) представляет собой основной функциональный элемент нервной системы, перерабатывающий поступающую к нему информацию и передающий результат переработки другим нейронам.

1.1.1. Сома, дендриты, аксон

Нейрон состоит из тела клетки - сомы, множества ветвящихся отростков - дендритов, по которым поступают сигналы, и обычно одного выходного волокна - аксона. Внутриклеточная среда отграничена от внеклеточной тонкой оболочкой - мембраной.

На мембране сомы и дендритов расположены синапсы - окончания аксонов других нейронов. Сома нейрона состоит из ядра, содержащего генетический аппарат, и цитоплазмы, в которой осуществляется синтез белков. В теле нейрона, в дендритах и аксонах имеются мнкротрубочки диаметром около 200 А, которые предположительно служат для транспорта синтезируемых в теле нейрона белков.

Переход сомы нейрона в аксон называется аксонным холмиком и характеризуется высокой возбудимостью. Аксоны некоторых нейронов нервной системы покрыты оболочками, состоящими из шванновских клеток или клеток глии. Промежутки между ними - перехваты Ранвье (рис. 1.1).

Разные типы нервных клеток характеризуются разной геометрической структурой дендритов. Встречаются дендриты довольно длинные, простирающиеся от сомы на расстояние в 30-40 диаметров сомы, маловетвящиеся. Другие дендриты - на расстояние порядка диаметра сомы и имеют большое количество узлов ветвления.

1.1.2. Структура мембраны нейрона

Мембрана толщиной 70-80 А, отделяющая цитоплазму нейрона от внешней среды, состоит из слоя фосфолипидных молекул, имеющего с внешней и с внутренней сторон слои белковых молекул. Центральный фосфолипидный слой обладает симметричной структурой, в которой жирные кислоты липидов обращены внутрь мембраны.

Поперечник мембраны пронизывают каналы, по которым могут перемещаться определенные ионы. В мембрану встроены рецептивные белки, управляющие состоянием ионных каналов (рис. 1.2). В модели мембраны совокупность каналов представлена сопротивлением, а совокупность диэлектрических участков - параллельно включенной емкостью.

Мембрана, окружающая нервную клетку (сому, дендриты и аксон), бывает двух типов: пассивная и активная.

Пассивная мембрана способна проводить электрическое возбуждение лишь электротонически (с затуханием), как кабель. Активная мембрана способна формировать и проводить незатухающий с расстоянием импульс. Эти два типа мембран могут перемежаться.

Установлено, что в активной мембране существуют особые участки - каналы, которые могут быть в открытом или закрытом состоянии. Обычно каналы бывают двух типов: проводящие ионы натрия, проводящие ионы калия.

Каналы каждого из этих типов проводят только ионы одного вида (либо только калия, либо только натрия). Управление (открытие, закрытие) каналов осуществляют многовалентные катионы, в основном кальция. В невозбужденной мембране катионы кальция находятся в связанном состоянии с молекулами, образующими каналы, закрывая каналы. Смещение полярных участков некоторых молекул мембраны открывает каналы для ионов натрия и калия, что приводит к возбуждению мембраны и генерации распространяющегося потенциала действия.

1.1.3. Синапсы, типы синапсов

Синапсы - участки взаимодействия аксонных термина- леи с мембраной нейрона - бывают двух типов: возбуждающие и тормозные. Возбуждающие увеличивают деполяризацию мембраны, тормозные - гиперполяризацию мембраны.

По принципу своего влияния на мембрану синапсы подразделяются на химические и электрические. Кроме того, различают аксо-аксональные, аксосоматические, аксодендритические, дендродендритические и соматосоматические синапсы (рис. 1.3).

Хотя плотность распределения синапсов на соме и дендритах в среднем одинакова, однако более высокая плотность распределения синапсов имеет место в узлах ветвления и в области локальных расширений дендритов.

Поэтому узлы ветвления дендритов имеют особое значение при функционировании нейрона.

На соме нервных клеток в большинстве случаев синапсы мелкие, их линейные размеры не превышают 0,2- 0,4 мкм (для нервной системы млекопитающих), в то время как на дендритах значительная часть синапсов имеет протяженность около 1 мкм.

На дендритах бывают синаптические контакты специального вида, так называемые «шипиковые» синапсы, располагающиеся на грибообразных отростках. Шипик состоит из тонкой ножки, окончание которой утолщено в 3-5 раз, образуя головку шипика. На головке размещается один или несколько обычных синаптических контактов. В некоторых отделах мозга на шипиках расположено подавляющее большинство синапсов.

1.2. Процессы на мембране

Мембрана содержит пассивные и активные участки. Пассивная мембрана обладает способностью проводить отклонения потенциала в какой-либо точке от равновесного значения к другим точкам с затуханием, пропорциональным расстоянию. В активной мембране распространяется волна регенерирующего, возбуждения за счет вольт-зависимого изменения проводимости ионных каналов.

В спокойном состоянии мембраны среда внутри клетки имеет некоторый «потенциал покоя» (примерно 70 мВ) относительно внешней среды. Эта разность потенциалов определяется разной концентрацией ионов ряда элементов, главным образом ионов натрия и калия. В покое концентрация ионов калия на порядок ниже, чем с внутренней стороны (внутри нервной клетки или волокна).

Внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно по отношению к ее наружной поверхности. Наблюдаемая разность концентраций ионов и потенциалов по обе стороны мембраны обусловлена процессами клеточного обмена - неким гипотетическим «метаболическим насосом», выкачивающим часть ионов натрия наружу и накачивающим часть ионов калия внутрь клетки.

Внутриклеточный потенциал может повышаться (деполяризация) или еще более понижаться (гиперполяризация).

Изменение потенциала в сторону деполяризации называют также возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП), а в сторону гиперполяризации - тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП). Соответственно все факторы, включая действие синапсов, называют возбуждающими или тормозными в зависимости от того, повышают или понижают они потенциал с внутренней стороны мембраны.

Возбуждающее воздействие, вызывающее повышение внутриклеточного потенциала (деполяризацию), не приведет к активному возбуждению мембраны, если не достигнут уровень возбуждения, т. е. изменение потенциала было меньше порогового. При этом порог по потенциалу зависит от формы возбуждающего импульса: чем положе восходящий фронт импульса, тем выше порог. Подпороговые изменения потенциала сопровождаются трансмембранным током, образованным емкостным током и током утечки.

При подпороговых процессах проницаемость мембраны для ионов существенно не меняется, поэтому и процессы относят к пассивным.

Активный процесс начинается с того момента, когда внутриклеточный потенциал превысил уровень порогового возбуждения. С этого момента резко увеличивается проницаемость мембраны для ионов натрия. Проходя снаружи через мембрану внутрь клетки (волокна), ионы натрия еще больше повышают внутренний потенциал, повышение потенциала увеличивает проницаемость для ионов натрия. Процесс нарастает лавинообразно до тех пор, пока разность потенциалов между внутренней и внешней средами не достигнет противоположного знака, затем ток натрия убывает. Зато постепенно увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия. Калиевый ток течет навстречу натриевому. Он также достигает максимума и затем спадает. За счет тока натрия этот потенциал достигает своего максимума, а ток калия вновь сводит потенциал мембраны к значению, свойственному потенциалу покоя.

1.2.1. Активный транспорт ионов через мембрану

По современным представлениям в нейроне исходно существуют различные концентрации ионов калия внутри и снаружи клетки. Потенциал равновесия «запирает» выход ионов калия из клетки. Однако отрицательный потенциал создает условия движения в клетку ионов натрия из внешней среды, что в свою очередь снижает уровень отрицательного мембранного потенциала, облегчая выход калия под влиянием разницы концентраций. Постепенно концентрации ионов калия и натрия внутри и снаружи будут выравниваться. Для того чтобы поддержать эту разницу концентраций, должен существовать механизм вывода ионов натрия из клетки и переноса ионов калия в клетку.

Этот механизм называют натрий-калиевым насосом. Внутриклеточный натрий на внутренней стороне мембраны соединяется с веществом - носителем В. Комплекс NaB электронейтрален и благодаря диффузии выходит наружу, где расщепляется. Освободившийся носитель В под влиянием энзима переходит в форму С и присоединяет ион калия К+. Комплекс КС диффундирует внутрь клетки и отдает ион калия. Переносчик С при участии АТФ переходит в форму В с использованием внутренней энергии клетки (рис. 1.4), и цикл повторяется.

1.2.2. Элекгротонический потенциал.

Фиксация напряжения

При подаче импульса тока через введенный в тело нейрона микроэлектрод можно обнаружить, что потенциал нейрона, регистрируемый вторым микроэлектродом, изменяется. Нейрон деполяризуется при инъекции положительных зарядов д гиперполяризуется при введении отрицательных. Схематически мембрану нейрона можно представить как параллельно подключенные емкость и сопротивление. Емкость образована диэлектриком - фосфолипидами мембраны. Сопротивление создают каналы ионной проводимости. При достижении мембраной потенциала покоя, определяющегося соотношением потенциалов равновесия разных ионов, суммарный ток равен нулю.

При подаче импульса тока сначала он течет через емкость (емкостный ток). Падение напряжения на сопротивлении при этом равно нулю. По мере зарядки конденсатора все большая доля тока течет через сопротивление.

После зарядки конденсатора ток течет через мембрану, создавая на ней падение напряжения (рис. 1.5).

1.2.3. Потенциал действия

Методом фиксации напряжения было показано, что мембрана нейрона имеет быстро инактивирующуюся натриевую проводимость и устойчиво сохраняющуюся калиевую. Если не учитывать влияние емкостей, то нейрон можно представить схемой, состоящей из двух батарей и двух переменных сопротивлений. Одна батарея определяется потенциалом равновесия для калия (-75 мВ). Переменное сопротивление воспроизводит изменение калиевой проводимости. Другая батарея определяется потенциалом равновесия по натрию (+55 мВ) и переменным сопротивлением, воспроизводящим натриевую проводимость. Эти батареи и сопротивления образуют цепь, формирующую потенциал действия. При этом падение напряжения на мембране определяется соотношением проводимостей (рис. 1.6).

1.2.4. Суммация электротонических потенциалов

Электрические свойства мембраны нейрона характеризуются двумя константами: постоянной времени и постоянной длины. Постоянная времени мембраны определяет временную суммацию электротонических потенциалов: при поступлении на один и тот же участок мембраны двух электротонических потенциалов они суммируются на интервале времени, пропорциональном постоянной времени. Постоянная длины мембраны определяет пространственную суммацию электротонических потенциалов: если два электротонических потенциала одновременно поступают на два соседних участка пассивной мембраны, то к собственному потенциалу каждого участка добавляется часть потенциала соседнего участка, пропорциональная расстоянию между участками, деленному на постоянную длины мембраны.

Когда электротонические потенциалы возникают в разных участках мембраны в разные моменты времени, то их суммация определяется как постоянной времени, так и постоянной длины мембраны - имеет место так называемая пространственно-временная суммация.

Клетки с большими ^значениями этих констант более эффективно суммируют сигналы. Суммация позволяет мембранному потенциалу достичь критического значения генерации потенциала действия даже тогда, когда отдельные электротонические потенциалы этого уровня не достигают. Электротонические потенциалы определяются пассивными свойствами мембраны - емкостью и сопротивлением. Однако источником электротонических потенциалов в пассивных участках мембраны могут быть происходящие в прилежащих участках изменения потенциала, вызванные изменением ионной проводимости. Так, потенциал действия, генерируемый вследствие открывания натриевых каналов, создает в прилегающих участках, еще не охваченных процессом открытия натриевых каналов, деполяризационный сдвиг, определяемый константой длины мембраны. Аналогичным образом постоянная времени и постоянная длины вносят свой вклад в суммацию электротонических потенциалов, вызванных другими источниками: постсинаптическими потенциалами и пейсме- керными потенциалами.

1.2.5. Пейсмекерные потенциалы

В ряде нейронов даже после полной изоляции их сомы (ампутации дендритов и аксонов) при внутриклеточной регистрации наблюдаются колебания потенциала амплитудой 10-20 мВ и частотой от 1,0 до 2,5 Гц, получившие название пейсмекерных потенциалов. Эти потенциалы могут быть регулярными или образовывать отдельные веретена, в которых амплитуда потенциалов постепенно возрастает, достигает максимума и падает. Сравнение пейсмекерных потенциалов нейрона до и после изоляции от других нервных клеток указывает на то, что источником колебаний являются эндогенные процессы, поскольку тип активности сохраняется и в полностью изолированном нейроне. Если пейсмекерные потенциалы достигают порога генерации потенциала действия, то они запускают их генерацию.

Таким образом, благодаря наличию пейсмекерных потенциалов нейрон становится активным генератором. Более того, поскольку определенный тип нейрона и при полной изоляции сохраняет свой тип пейсмекерной активности, эта активность является генетически заданной. Вместе с тем пейсмекерный потенциал очень чувствителен к изменениям уровня мембранного потенциала: небольшая деполяризация клетки током до 1 нА достаточна для того, чтобы увеличить частоту и амплитуду пейсмекерных потенциалов, а гиперполяризация в тех же пределах ведет к замедлению пейсмекерных колебаний, их урежению, снижению амплитуды и, наконец, полному подавлению.

Анализируя пейсмекерные потенциалы, можно заметить, что при возрастании их амплитуды деполяризационная волна становится более острой. Это объясняется тем, что к пейсме- керному потенциалу присоединяется локальный потенциал, не достигающий порога развития лавинообразного процесса, связанного с генерацией потенциала действия.

Чувствительность пейсмекерных потенциалов к сдвигам мембранного потенциала делает их легко управляемыми внешними влияниями.

У ряда нейронов можно обнаружить несколько локусов пейсмекерных колебаний с разными свойствами и разным вкладом в механизмы генерации потенциалов действия. Источником пейсмекерных колебаний, по-видимому, являются электрогенные эффекты активного транспорта ионов. Переходы от деполяризации к гиперполяризации, образующие пейсмекерную волну, не сопровождаются изменением сопротивления мембраны. Активный транспорт ионов натрия ограничивается при развитии гиперполяризации. Активный транспорт ионов хлора ограничивается развитием деполяризации. Таким образом, пейсмекерный потенциал имеет зону оптимума, ограниченную сверху определенной деполяризацией, а снизу - определенной гиперполяризацией нейрона.

1.2.6. Электрический синапс

Электрический синапс образован срастанием мембран пре- синаптического и постсинаптического нейронов. Ток, инъецируемый в один нейрон через каналы, связывающие обе мембраны, затекает в постсинаптический нейрон пассивно и регистрируется на его мембране в виде электротонического потенциала.

Если один (прбсинаптический) нейрон генерирует потенциал действия, то у второго (постсинаптического) обнаруживается электротонический потенциал, в искаженной форме воспроизводящий за счет пассивных свойств мембраны потенциал действия пресинаптической мембраны в виде дифазного потенциала. При суммации дифазных потенциалов постсинаптическии нейрон сам генерирует потенциал действия, распространяющийся по аксону.

1.2.7. Квантовый механизм химического синапса

Электрический синапс содержит каналы, непосредственно связывающие пре- и постсинаптическую мембраны и обеспечивающие электротоническую связь между нейронами.

В отличие от электрического в химическом синапсе пре- и постсинаптическая мембраны разделены, и электротонический потенциал не принимает участия в связи нейронов. Связь реализуется посредством химических передатчиков - медиаторов. Медиатор находится в специальных гранулах - везикулах, находящихся в пресинаптической терминали. Под действием прибывшего в пресинаптическую терминаль импульса происходит присоединение везикулы к пресинаптической мембране, и в си- наптическую щель в сторону постсинаптической мембраны выбрасывается порция - квант медиатора. При этом медиатор действует на рецептивный белок постсинаптической мембраны. Этот рецептивный белок управляет каналами ионной проводимости. В зависимости от того, в отношении каких ионов в постсинаптической клетке регистрируется миниатюрный постсинаптическии потенциал (0,5-1 мВ) и как изменяется проводимость, спонтанно выделяются кванты медиатора, образуя в постсинаптичес- ком нейроне последовательность миниатюрных потенциалов постоянной амплитуды со случайными интервалами между ними. Миниатюрные потенциалы исчезают, если будут блокированы рецепторы, специфичные в отношении данного медиатора. В регуляции выделения медиатора принимает участие кальций. При деполяризации кальций входит в пресинаптическую часть синапса и перемещается к участкам, где везикулы присоединяются к участкам пресинаптической мембраны. Кальций облегчает слияние мембраны везикулы с мембраной терминали, в результате чего происходит выделение кванта медиатора.

Поступающий к пресинаптическому окончанию потенциал действия деполяризует термина ли, что приводит к открытию каналов кальциевой проводимости, которая в сильной степени зависит от уровня мембранного потенциала. Поступление кальция приводит к массированному выходу медиатора сразу из большого числа синаптических пузырьков. Суммация нескольких выделившихся в ответ на один потенциал действия квантов медиатора образует элементарный постсинаптический потенциал.

1.2.8. Транссинаптическая индукция энзимов

При действии медиатора на рецептор возникает комплекс, в котором белок обладает специфической конфигурацией. Такой белок может выполнять функцию индуктора: транс- портируясь к ядру клетки и связываясь с репрессором, он включает механизм транскрипции в определенном оперо- не, обеспечивая синтез группы функционально связанных энзимов. Энзимы, поступая к участкам синтеза медиатора, усиливают в качестве катализаторов синтез медиатора в пресинаптической терминали нейрона. Таким образом, реализуется схема медиатор ->- трансформация рецептивного белка ->- включение оперона на молекуле ДНК -*■ ->- транскрипция как синтез и-РНК ->- синтез энзимов -> ->- транспорт энзимов по аксону к пресинаптическому окончанию -* усиление синтеза медиатора в пресинапсе (рис. 1.7). Такой процесс носит название транссинапти- ческой индукции энзимов.

Наиболее подробно транссинаптическая индукция энзимов изучена на адренергических нейронах шейного узла, синтезирующих в термина лях своих аксонов медиатор норадреналин (или иначе, норэпинефрин). Нейроны этого узла, обладая мускориновыми и никотиновыми рецепторами, чувствительны к ацетилхолину. При присоединении ацетилхолина к никотиновым рецепторам через сутки в нейроне увеличивается содержание ферментов, выполняющих функцию катализаторов при синтезе норэпине- фрина. Синтезируемые в теле нейрона энзимы транспортируются по аксону к пресинаптическим окончаниям, где происходит повышенный синтез норэпинефрина. Вызванное действием ацетилхолина на никотиновые рецепторы усиление синтеза энзимов опосредовано процессом транскрипции с участием и-РНК. Это доказывается тем, что антибиотик актиномицин-D, препятствующий

Рис. 1.7. Транс-синаптическая индукция энзимов образованию молекулы и-РНК на матрице ДНК, включает транссинаптическую индукцию энзимов, катализирующих синтез норэпинефрина. Следует подчеркнуть, что индукция энзимов, ответственных за синтез норэпинефрина, происходит только в том случае, если ацетилхолин действует на никотиновые рецепторы. Если эти рецепторы блокировать, то индукции ответственных за синтез норэпинефрина энзимов не происходит.

Таким образом, аналогичный ферментативной адаптации механизм включен в регуляцию эффективности работы нейрона в звене синтеза медиатора.

1.3. Нейронные сети

Различают два крайних типа нейронных сетей: нелокальные нейронные сети и локальные. В нелокальных сетях нейрон выступает как структурная единица переработки информации. Локальные цепи принципиально отличаются от нелокальных тем, что в них единицей обработки информации является не весь нейрон, а отдельный участок его сомы, дендрита или аксона . Локальной называется цепь, образованная локальными участками одного или нескольких соседних нейронов, так что изменения в каждом из участков не затрагивают весь нейрон как целое.

Информационные свойства отдельного нейрона или его части существенно зависят от процессов, происходящих в дендритных и аксонных образованиях, и свойств его мембраны. Мембрана дендритов нейронов многих типов может быть возбудимой, способной проводить активное возбуждение. Морфологические данные говорят о наличии геометрически неоднородных участков в системах ветвлений дендритов и аксонов: расширений, узлов ветвления.

шипиков, касательных контактов . Такие неоднородности участвуют в процессах переработки информации нейроном, являются элементарными звеньями нейрона, преобразующими информацию. Вблизи неоднородностей меняется скорость проведения возбуждения, амплитуда активного и пассивного процессов, форма импульса возбуждения . В зависимости от вида неоднородности выходной сигнал будет представлять собой результат той или иной операции .

Информационные свойства локальных цепей определяются структурно-функциональными особенностями входящих в состав цепи участков нейронов, а также определяются характером латеральных возбуждающих и тормозных взаимодействий между нейронами сети.

1.3.1. Локальные цепи

Можно условно выделить локальные дендритные, локальные аксонные и смешанные локальные цепи. Локальные дендритные цепи - это такие образования, в которых имеются дендро-дендритные контакты как в структуре одного нейрона, так и между дендритами соседних нейронов.

Локальные аксонные цепи образуют аксо-аксональные касательные контакты и анастомозные соединения аксонов разных нейронов. Смешанными локальными цепями назовем структуры из аксонных и дендритных ветвлений, в которых имеются контакты разных типов: дендро-ден- ритные, аксо-аксональные, ак- со-дендритные, дендро-сомати- ческие и т. д. (рис. 1.8). Ден- дриты и аксоны могут иметь структурно-функциональные неоднородности, способствующие расширению набора операций, выполняемых в локальных цепях.

Простейшим случаем локальных цепей являются локальные аксонные цепи с аксо-аксональными синапсами, когда под влиянием импульса, проходящего по аксону одного нейрона, срабатывает одна из аксонных термина- леи другого - невозбужденного нейрона, не влияя на аксонные ветви этого нейрона. Сома нейрона выполняет в этом случае функцию питания ветвей, а информационные процессы в ветвях развиваются независимо.

Более сложные локальные цепи образуются в результате дендро-дендритных контактов разных нейронов.

В этом случае происходит локальная обработка информации во множестве точек локального взаимодействия дендритов. Следует учитывать, что при локальном взаимодействии на близких расстояниях генерация импульса не обязательна. Достаточно, чтобы один синапс оказал влияние в близком соседстве от другого и его эффективность изменилась за счет электротонического эффекта, связанного с входом кальция в рассматриваемый локальный участок мембраны.

Возможность образования отдельными участками мембраны нейрона независимых параллельно работающих локальных цепей означает, что единицей обработки является не нейрон как целое, а его отдельные локусы. В связи с этим функция нелокальных сетей является вторичной по отношению к информации, предварительно обработанной в локальных нейронных цепях. При помощи аксонных систем сигналы нейронной сети передаются затем на значительные расстояния.

1.3.2. Организация нейронных сетей мозга

Под нейронной сетью понимается нелокальная нейронная сеть из нервных клеток, между которыми заданы перекрестные (латеральные) возбуждающие и тормозные взаимодействия, в результате которых нейронные сети оказываются приспособленными для выполнения разнообразных информационных преобразований.

Выделяют несколько типов тормозных латеральных взаимодействий между нейронами сети: непосредственное латеральное торможение соседних нейронов через тормозные коллатерали; коллатеральное торможение через вставочный тормозный нейрон; возвратное торможение, заключающееся в том, что выходной сигнал нейрона возвращается к нему через тормозную коллатераль аксона и приводит к торможению активности нейрона. Возвратное торможение может осуществляться по типу непосредственного или коллатерального торможения. Пресинаптическое заключается во влиянии синаптическпх контактов одного нейрона на синаптические контакты другого, уменьшающем активность этих контактов.

Торможение между нейронами может осуществляться как через химические, так и через электрические синапсы.

Бывает изотропное латеральное торможение, равномерно распределенное между нейронами, и анизотропное латеральное торможение, когда в одном направлении торможение больше или меньше, чем в других.

Рассмотрим организацию нейронных сетей различных отделов мозга.

Новая кора. Основной структурно-функциональной единицей (элементарной нейронной сетью) новой коры служит колонка - вертикально расположенная группа клеток, связанных между собой преимущественно вертикальными связями. Кортикальная колонка нейронов образует модуль обработки информации, выделяющий один определенный признак сигнала. Расположение нейронов в виде множества колонок позволяет выделять несколько переменных в локальном участке топографического коркового представительства. Таким образом, с помощью вертикальных колонок в трехмерную структуру новой коры встраивается аппарат многомерного отображения внешней среды.

Так, форма кожной поверхности тела представлена в виде карты на постцентральной соматосенсорной коре.

Каждый участок кожи представлен группой локальных колонок, каждая из которых содержит нейроны, отвечающие на данную модальность стимула в данном участке кожи. Другим примером колончатой организации коры мозга является представительство вибрисс крысы в коре.

Каждая вибрисса представлена колонкой клеток, которые возбуждаются только при движении данной вибриссы .

Различают следующие типы корковых колонок: 1)ми- кроколонки - в них представлены градации выделяемого признака; 2) гиперколонки, каждая из которых содержит набор микроколонок (в гиперколонке представлен набор градаций данного признака); 3) макроколонки, каждая из которых содержит набор гиперколонок (в каждой макроколонке представлен набор признаков в данном топографически локальном участке коры больших полуша- рий, представляющем участок рецептивной поверхности).

Гиперколонка представляет собой корковую часть локального анализатора определенного свойства.

Макроколонка представляет набор таких локальных анализаторов.

Тангенциальные волокна серого вещества, распространяющиеся на 1-2 мм, по-видимому, создают латеральное торможение между гиперколонками, выделяющими одни и те же свойства в разных макроколонках. Следовательно, обработка информации о разных свойствах сигнала в разных точках пространства происходит в параллельных каналах.

Вверх от IV слоя идут нейроны отображения сигнала, нейроны V и VI слоев являются исполнительными элементами. Нейрон - элемент микроколонки является нейроном-детектором. Совокупность детекторов одного класса в гиперколонке одного топографического локуса образует квазирецептивную поверхность. Зрительная кора. Зрительная кора приматов образована вертикальными колонками нейронов. В этих колонках представлены доминантные глаза, а также колонки нейронов, чувствительных к разной ориентации участка линии, находящегося в пределах топографически локального участка проекции сетчатки. Отрезок прямой линии в поле зрения возбуждает группу макроколонок, в которой, в свою очередь, возбуждаются гиперколонки определенного класса, а именно гиперколонки, выделяющие ориентацию линии. В этих гиперколонках будут возбуждены только те микроколонки, оптимальная чувствительность к ориентации линии у которых совпадает с ориентацией линии .

Простые клетки зрительной коры.

В соответствии с функциональными свойствами в зрительной коре кошки выделяют два основных класса нейронов: клетки с простыми рецептивными полями (простые) и клетки со сложными рецептивными полями (сложные) . Область рецептивного поля, в которой стационарный стимул вызывает разряд, называется полем разряда. Поле разряда образует только часть рецептивного поля. Другие участки рецептивного поля оказывают усиливающее или ослабляющее действие. Простые клетки оптимально отвечают при определенной ориентации линии в их рецептивном поле . К возбуждающему рецептивному полю клеток примыкают тормозные зоны.

Простые клетки бывают двух типов. Одни построены из концентрических нейронов наружного коленчатого тела с возбуждающими центрами, другие из нейронов с тормозящими центрами. Тормозные зоны построены из тех же элементов, что и возбуждающие. Таким образом, одни клетки отвечают на светлые линии при темном фоне, другие - на темные линии при светлом фоне. Клетки наружного коленчатого тела в отличие от простых клеток коры имеют концентрические, а не сильно сжатые эллиптические рецептивные поля. Возбуждающее и тормозное поля простой рецептивной клетки не совпадают по центру.

Оптимальная ориентация рецептивного поля перпендикулярна линии, соединяющей центры возбуждающего и тормозного полей .

Сложные клетки зрительной коры. В отличие от простых клеток сложные клетки зрительной коры характеризуются большими рецептивными полями.

Линия оптимальной ориентации, расположенная в рецептивном поле такой клетки, вызывает ответ на включение и выключение. Сложная клетка отвечает серией разрядов при движении линии в ее рецептивном поле .

Рецептивное поле сложных клеток построено из клеток латерального коленчатого тела с возбуждающими и тормозными центрами. Это относится к возбуждающей и тормозной зонам .

Сложные клетки, так же как и простые, имеют смещенные по центру перекрывающиеся рецептивные поля.

Оптимальный наклон линии перпендикулярен линии, соединяющей центры полей. Сложные клетки возбуждаются как при действии светлых, так и темных полос. Кроме того, реакция на свет и темноту сразу же компенсируется сигналами противоположного знака. Таким образом, основное различие между простыми и сложными клетками обусловлено разным типом входов. Простые клетки имеют входы либо от ОН-, либо от ОФФ-нейронов. Сложные клетки получают сигналы и от ОН-, и от ОФФ-нейронов. При действии как темных, так и светлых полос имеет место сильное торможение по краям рецептивного поля .

Ретинотопическая проекция в зрительной коре. В зрительной коре обезьяны существует топографическая карта зрительного поля. Эта карта характеризуется «фактором увеличения», который показывает, какой размер участка представляет данную область зрительного поля. Фактор увеличения измеряется в мм/град. Представленный как функция эксцентриси- тета фактор увеличения показывает, что область фовеа представлена в зрительной коре большими участками, чем периферические участки поля зрения. Максимальное значение фактора увеличения равно 6 мм/град.

Острота зрения измеряется минимальным углом различения точек на сетчатке. Для фовеа острота зрения равна 0,67 мин. На зрительной коре этому разрешению сигналов соответствует расстояние 67 мкм. При измерении размеров рецептивного поля нейрона зрительной коры оказалось, что гиперколонки (полный набор колонок нейронов с разной оптимальной ориентацией) расположены в зрительной коре на расстоянии 1-2 мм. Локальный образ в зрительной коре возникает в пределах одной гиперколонки. Различие двух стимулов на уровне коры определяется размером рецептивного поля .

Развитие нейронов зрительной системы. Нейроны латерального коленчатого тела релейного ядра зрительной системы формируются в течение недели около 40-го дня эмбрионального развития. Синаптический аппарат начинает складываться 20 дней спустя. Быстрое увеличение размеров и клеточных тел происходит в первый месяц пост- натальной жизни. В условиях зрительной депривации этот процесс нарушается. В позднем пренатальном и раннем постнатальном периоде обнаруживают уже слоистую структуру. Основными признаками незрелости нейронов являются: наличие большого числа похожих на волоски выростов на дендритах и утолщений в виде колбочек, связанных с процессом роста .

В конце первого месяца постнатальной жизни волоски и утолщения на дендритах исчезают. Степень морфологических изменений у разных типов нейронов различна.

Мультиполярные нейроны характеризуются несколькими основными дендритами, берущими начало от сомы нейрона. Такие нейроны встречаются во всех слоях с первого до шестого. Однако имеет место градиент в степени их зрелости. Так, когда первый слой содержит нейроны с развитым дендритным деревом уже без волосков и утолщений, дендриты мультиполярных нейронов пятого и шестого слоев еще имеют волоски и утолщения, а их дендритные ветви развиты слабо.

Биполярные нейроны имеют или два основных дендрита, или три, в последнем случае у них форма треугольника. Биполярные нейроны обладают большей степенью зрелости, чем мультиполярные нейроны.

Нейроны с дендритом, напоминающим аксон, характеризуются тонкими цилиндрическими дендритами, длина которых увеличивается в процессе развития. Нейроны с веерообразными дендритами приобретают черты взрослого состояния еще в эмбриональной стадии.

Общая схема созревания нейронов наружного коленчатого тела включает: 1) появление участков роста в виде колбочек (ранний пренатальный период); 2) появление тонких волосков на дендритах (поздний пренатальный период); 3) редукция участков роста и исчезновение волосков (несколько дней постнатального периода).

Эффективность зрительной системы обезьяны, проявляющаяся сразу же после ее рождения, является следствием пренатальной дифференциации нейронов наружного коленчатого тела. Позже следует лишь созревание с формированием шипиков и дистальных участков дендритных ветвей. Полное созревание дендритной системы завершается через четыре недели после рождения .

Нейроны зрительной коры формируются под влиянием факторов внешней среды . При этом нейроны IV слоя коры, получающие афференты от наружного коленчатого тела, настроены селективно на определенный наклон линии генетически . Что касается нейронов верхних слоев коры, образующих колонку, то они приобретают селективность в зависимости от того, какие нейроны IV слоя возбуждаются внешними сигналами. Так, в «вертикальной среде» они образуют связи с детекторами вертикальных линий IV слоя, а в «горизонтальной среде» - с детекторами горизонтальных линий IV слоя. В результате в ограниченной среде формируются только такие колонки, которые имеют характеристики возбуждающихся нейронов IV слоя .

Исследования поглощения диоксиглюкозы нейронами зрительной коры в условиях стимуляции глаза кошки вертикальными или горизонтальными решетками показали, что клетки, обладающие общей ориентационной избирательностью, образуют на поверхности коры параллельные полосы, ортогональные представительству вертикального меридиана. Нейроны, характеризующиеся общей селективной ориентацией, образуют колонку. Аналогичным образом организована система представительства доминантного глаза .

Если котята воспитывались в «горизонтальной» или «вертикальной» среде, то поглощение глюкозы было раз- личным при вертикальной и горизонтальной стимуляции.

При совпадении ориентации линий в опыте животного с ориентацией тест-стимула обнаруживались более широкие полосы, образованные нейронами одной ориентации.

При несовпадении полосы были узкими и были образованы почти исключительно нейронами IV слоя коры, куда поступают афференты от наружного коленчатого тела

Таким образом, нейроны IV слоя обладают ориента- ционной селективностью, которая определяется генетически и не зависит от зрительного опыта. Нейроны же более высоких слоев коры приобретают ориентационную избирательность под влиянием зрительной стимуляции, которая исчезает в критический период развития .