Фізіологія збудливих тканинвивчає основні закономірності взаємодії між організмом, його складовими та діючими факторами зовнішнього середовища.

Збудливі тканини— спеціально пристосовані до здійснення швидких реакцій у відповідь на дію подразника нервова тканина, залозиста тканина і м'язова тканина.

Людина та тварини живуть у світі світла, звуків, запахів, дії сил гравітації, механічних тисків, змінної температури та інших сигналів зовнішнього чи внутрішнього середовища. Кожен зі свого власного досвіду знає, що ми здатні миттєво сприймати ці сигнали (звані також подразниками), а й реагувати ними. Це сприйняття здійснюється структурами нервової тканини, а однією з форм реагування на сприйняті сигнали є рухові реакції, що здійснюються м'язовими тканинами. У цьому розділі будуть розглянуті фізіологічні основи процесів та механізмів, що забезпечують сприйняття та реагування організму на різноманітні сигнали зовнішнього та внутрішнього середовища.

Найважливішими спеціалізованими тканинами організму, що забезпечують сприйняття сигналів і реакції на дію різноманітних подразників, служать нервова і м'язова тканини, які традиційно називають збудливими тканинами. Однак істинно збудливими у них є м'язові клітини та нейрони. Клітини ж нейроглії, яких у мозку приблизно в 10 разів більше, ніж , не мають збудливості.

Збудливість- Здатність клітин реагувати певним чином на дію подразника.

Порушення- активний фізіологічний процес, реакція у відповідь збудливих клітин, що проявляється генерацією потенціалу дії, його проведенням і для м'язових клітин скороченням.

Збудливість в еволюції клітин розвинулася з властивості подразливості, властивої всім живим клітинам, і є окремим випадком подразливості.

Подразливість- Це універсальна властивість клітин відповідати на дію подразника зміною процесів життєдіяльності. Наприклад, нейтрофільні, сприйнявши своїми рецепторами дію специфічного сигналу - антигену, припиняють рух у потоці крові, прикріплюються до стінки капіляра та мігрують у напрямку запального процесу в тканині. Епітелій слизової порожнини рота на дію дратівливих речовин реагує збільшенням вироблення та виділення слизу, а епітелій шкіри при впливі ультрафіолетових променів накопичує захисний пігмент.

Порушення проявляється специфічними та неспецифічними змінами, що реєструються в клітині.

Специфічним проявомзбудження для нервових клітин є генерація та проведення потенціалу дії (нервового імпульсу) на відносно великі відстані без зменшення його амплітуди, а для м'язових клітин – генерація, проведення потенціалу дії та скорочення. Таким чином, ключовим показником виникнення збудження є створення потенціалу дії. Ознака наявності потенціалу дії – перезаряджання (інверсія знака заряду). При цьому на короткий час поверхня мембрани замість позитивного, що є у спокої, набуває негативного заряду. У клітин, що не мають збудливості, при дії подразника різниця потенціалів на клітинній мембрані може лише змінюватися, але це не супроводжується перезарядженням мембрани.

До неспецифічних проявівзбудження нервових і м'язових клітин відносять зміну проникності клітинних мембран для різних речовин, прискорення обміну речовин і збільшення поглинання клітинами кисню і виділення вуглекислого газу, зниження рН, зростання температури клітини і т.д. Ці прояви багато в чому подібні до компонентів реакції у відповідь на дію подразника незбудливих клітин.

Порушення може виникати під впливом сигналів, що надходять із зовнішнього середовища, з мікрооточення клітини, і спонтанно (автоматично) через зміну проникності клітинної мембрани та обмінних процесів у клітині. Про такі клітини говорять, що вони мають автоматію. Автоматія властива клітинам водія ритму серця, гладким міоцитам стінок судин та кишечника.

В експерименті можна спостерігати розвиток збудження при безпосередньому впливі подразників на нервову та м'язову тканину. Розрізняють подразники (сигнали) фізичної (температура, електричний струм, механічні впливи), хімічної ( , нейромедіатори, цитокіни, фактори росту, смакові, пахучі речовини) та фізико-хімічної природи (осмотичний тиск, рН).

За ознакою біологічної відповідності подразників спеціалізації сенсорних рецепторів, що сприймають в організмі вплив цих подразників, останні поділяють на адекватні та неадекватні.

Адекватні подразникиподразники, до сприйняття яких рецептори пристосовані та реагують на малу силу впливу. Наприклад, адекватними для фоторецепторів та інших клітин сітківки ока є кванти світла, реакція у відповідь на які реєструється у фоторецепторах сітківки при поглинанні лише 1-4 квантів.

Неадекватні подразникине викликають збудження навіть за значної сили впливу. Лише при надмірних силах, що межують з пошкодженням, вони можуть викликати збудження. Так, відчуття іскор світла може виникнути при ударі в область ока. При цьому енергія механічного, неадекватного подразника в мільярди разів перевищує величину енергії світлового подразника, що викликає відчуття світла.

Стан клітин збудливих тканин

Усі живі клітини мають дратівливістю, тобто. здатністю реагувати на різні стимули та переходити зі стану фізіологічного спокою у стан активності. Цей процес супроводжується зміною обміну речовин, а диференційовані тканини (нервова, м'язова, залізиста), які здійснюють специфічні функції (проведення нервового імпульсу, скорочення або виділення секрету), - ще й зміною електричного потенціалу.

Клітини збудливих тканин можуть перебувати у трьох різних станах(Рис. 1). При цьому клітини стану фізіологічного спокою можуть переходити в активні стани збудження або гальмування, і навпаки. Клітини, що перебувають у стані збудження, можуть переходити в стан гальмування, а зі стану гальмування - стан збудження. Швидкість переходу різних клітин або тканин з одного стану до іншого значно різниться. Так, рухові нейрони спинного мозку можуть від 200 до 300 разів на секунду переходити зі стану спокою у стан збудження, тоді як вставні нейрони – до 1000 разів.

Рис. 1. Взаємозв'язок між основними фізіологічними станами клітин збудливих тканин

Фізіологічний спокій- Стан, що характеризується:

• щодо постійним рівнем обміну процесів;
• відсутністю функціональних проявів тканини.

Активний станвиникає під дією подразника та характеризується:

• вираженою зміною рівня обмінних процесів;
• проявами функціональних відправлень тканини

Порушення -активний фізіологічний процес, що виникає під дією подразника, сприяє переходу тканини зі стану фізіологічного спокою до специфічної діяльності (генерація нервового імпульсу, скорочення, секреція). Неспецифічні ознаки збудження:

• зміна заряду мембрани;
• підвищення обмінних процесів;
• збільшення витрат енергії.

Гальмування -активний фізіологічний процес, що виникає під дією певного подразника та характеризується пригніченням або припиненням функціональної активності тканини. Неспецифічні ознаки гальмування:

• зміна проникності клітинної мембрани;
• зміна руху іонів через неї;
• зміна заряду мембрани;
• зниження рівня обмінних процесів;
• зниження витрати енергії.

Основні властивості збудливих тканин

Будь-яка жива тканина має такі властивості: збудливість, провідність і лабільність.

Збудливість -здатність тканини відповідати на дію подразників переходом до активного стану. Збудливість характерна для нервової, м'язової та залізистої тканин. Збудливість обернено пропорційна силі діючого подразника: В = 1/S. Чим більша сила діючого подразника, тим менша збудливість, і навпаки. Збудливість залежить від стану обмінних процесів та заряду клітинної мембрани. Незбудливість = рефрактерність.Найбільшу збудливість має нервова тканина, потім поперечно-смугаста скелетна і серцева м'язова тканина, залізиста тканина.

Провідність -здатність тканини проводити збудження у двох чи одному напрямку. Показником провідності є швидкість проведення збудження (від 0,5 до 120 м/с залежно від тканини та будови волокна). Найшвидше збудження передається по мієлінізованому нервовому волокну, потім по немієлінезованому волокну, і найнижчу провідність має синапс.

Функціональна лабільність -здатність тканини відтворювати без спотворення частоту імпульсів, що ритмічно наносяться. Показником функціональної лабільності є кількість імпульсів, що дана структура може передавати без спотворення за одиницю часу. Наприклад, нерв - 500-1000 імп/с, м'яз - 200-250 імп/с, синапс - 100-120 імп/с.

Роль сили дратується і його дії. Хронаксіяце тимчасова характеристика збудливості. Залежність між пороговою інтенсивністю подразнення та тривалістю називають кривої сили тривалостіабо кривою Гоорвега - Вейсса(Рис. 2). Вона має форму рівносторонньої гіперболи. На осі абсцис відкладають час, на осі ординат - граничну інтенсивність подразнення.

Рис. 2. Крива сили тривалості (Гоорвега - Вейсса)

По осі абсцис відкладено час (t); по осі ординат - гранична інтенсивність подразнення (i); 0А – реобаза: 0В – подвійна реобаза: ОД – хропаксія; 0Ж- корисний час

З рис. 2 можна бачити, що при занадто малій величині інтенсивності подразнення (менше OA) реакція у відповідь не виникає при будь-якій його тривалості. Відсутня реакція і за дуже малого часу дії подразника (менше ОГ). При інтенсивності подразнення, що відповідає відрізку OA, виникає збудження за умови більшої тривалості дії імпульсу, що подразнює. У межах часу, що визначається відрізком ОЖ, має місце залежність між пороговою інтенсивністю та тривалістю подразнення: меншій тривалості подразнюючого імпульсу відповідає велика порогова інтенсивність (відрізку ОД відповідає OB, а ОЕ - відрізку ПРО). За цього часу (ОЖ) зміна тривалості дії подразника не впливає величину порога подразнення. Найменший час, протягом якого проявляється залежність між пороговою інтенсивністю подразнення та його тривалістю, отримав назву корисного часу(Відрізок ОЖ). Корисний час є тимчасовим показником збудження. За його величиною можна судити про функціональний стан різних збудливих утворень. Однак для визначення корисного часу необхідно знайти кілька точок кривої, для чого потрібно наносити безліч подразнень. Тому велике поширення набуло визначення іншого тимчасового показника, який ввів у практику фізіологічних досліджень Л. Лапік (1907). Він запропонував для характеристики швидкості виникнення процесу збудження параметри: реобазуі хронаксію.

Реобаза- це гранична інтенсивність подразнення при великій тривалості його дії (відрізок OA); хронаксія -час, протягом якого має діяти струм, що дорівнює подвійній реобазі (ОВ), для отримання порогової відповіді (відрізок ОД). Протягом цього часу відбувається зменшення мембранного потенціалу до величини, яка відповідає критичному рівню деполяризації. Для різних збудливих утворень величина хронаксії неоднакова. Так, хронаксія ліктьового нерва людини становить 0,36 мс, серединного – 0,26 мс, загального згинача пальців – 0,22 мс, а загального розгинача – 0,58 мс.

Формула М. Вейса

де I - Порогова сила струму; t - час дії подразника (с); а - константа, що характеризує постійний час роздратування з моменту, коли крива переходить у пряму лінію, що йде паралельно осі ординат; b — константа, що відповідає силі роздратування за постійної його тривалості, коли крива переходить лінію, що йде паралельно осі абсцис.

Показники збудливості

Для оцінки стану збудливості у людини та тварин досліджують в експерименті ряд її показників, які вказують, з одного боку, на які подразники реагує збудлива тканина, а з іншого – як вона реагує на дії.

Збудливість нервових клітин, зазвичай, вище, ніж м'язових. Рівень збудливості залежить не тільки від виду клітини, але і від численних факторів, що впливають на клітину і особливо на стан мембрани (проникності, поляризації і т.д.).

До показників збудливості відносять такі.

Поріг сили подразника- Це мінімальна величина сили діючого подразника, достатня для ініціювання збудження. Подразники, сила яких нижча за порогову, називають підпороговими, а ті, що мають силу вище за порогову, — над- або надпороговими.

Між збудливістю та величиною порога сили є зворотна залежність. Чим менші за силою впливу збудлива клітина чи тканина реагує розвитком збудження, тим більше їх збудливість.

Збудливість тканини залежить від її функціонального стану. При розвитку патологічних змін у тканинах їх збудливість може значно знижуватися. Таким чином, вимір порога сили подразника має діагностичну значущість і використовується в електродіагностиці захворювань нервової та м'язової тканин. Одним із її прикладів може бути електродіагностика захворювань пульпи зуба, що отримала назву електроодонтометрію.

Електроодонтометрія (електроодонтодіагностика) – метод використання електричного струму з діагностичною метою для визначення збудливості нервової тканини зубів (сенсорних рецепторів чутливих нервів пульпи зубів). У пульпі зуба міститься велика кількість чутливих нервових закінчень, що реагують на певну силу механічні, температурні та інші впливи. При електроодонтометрії визначається поріг відчуття дії електричного струму. Поріг сили електричного струму для здорових зубів становить 2-6 мкА. при середньому та глибокому карієсі - 10-15, гострому пульпіті - 20-40, при загибелі коронкової пульпи - 60, при загибелі всієї пульпи - 100 мкА і більше.

Розмір порогової сили подразнення збудливої ​​тканини залежить від тривалості впливу подразника.

Це можна перевірити в експерименті при впливі імпульсів електричного струму на збудливу тканину (нерв або м'яз), спостерігаючи, при яких значеннях сили та тривалості імпульсу електричного струму тканина відповідає збудженням, а при яких значеннях збудження не розвивається. Якщо тривалість впливу буде дуже короткою, то збудження у тканині може не виникнути навіть при надпорогових впливах. Якщо тривалість дії подразника збільшувати, тканина почне реагувати збудженням на нижчі за силою впливу. Порушення виникне при найменшому за силою впливі, якщо його тривалість буде нескінченно великою. Залежність між порогом сили та порогом часу подразнення, достатніми для розвитку збудження, описується кривою «сила – тривалість» (рис. 3).

Рис. 3. Крива «сила-тривалість» (співвідношення сили та тривалості впливу, необхідні для виникнення збудження). Нижче і ліворуч від кривої — співвідношення сили та тривалості подразника, недостатні для збудження, вище та праворуч — достатні

Спеціально для характеристики порога сили електричного струму, що широко використовується як подразник при дослідженні реакцій у відповідь тканин, введено поняття «реобазу». Реобаза- це мінімальна сила електричного струму, необхідна для ініціювання збудження, при тривалому впливі на клітину або тканину. Подальше подовження подразнення мало впливає величину порогової сили.

Поріг часу роздратування- Мінімальний час, протягом якого повинен діяти подразник порогової сили, щоб викликати збудження.

Між збудливістю і величиною порога часу є зворотна залежність. Чим на менші за часом порогові впливи тканина реагує розвитком збудження, тим се збудливість вища. Розмір порогового часу для збудливої ​​тканини залежить від сили впливу подразника, що видно з рис. 3.

Хронаксіямінімальний час, протягом якого повинен діяти подразник силою, яка дорівнює двом реобазам, щоб викликати збудження (див. рис. 3). Цей показник збудливості також застосовується для використання як подразника електричного струму. Хронаксія нервових клітин та волокон скелетних м'язів становить десятитисячні частки секунди, а гладких м'язів – у десятки разів більше. Хронаксія як показник збудливості використовується для тестування стану та функціональних можливостей скелетних м'язів та нервових волокон здорової людини (зокрема, у спортивній медицині). Визначення хронаксії має цінність для діагностики низки захворювань м'язів і нервів, тому що при цьому збудливість останніх зазвичай знижується та хронаксія збільшується.

Мінімальний градієнт (крутість) наростання сили подразника у часі. Це мінімальна швидкість збільшення сили подразника у часі, достатня для ініціювання збудження. Якщо сила подразника збільшується дуже повільно, то тканина пристосовується для його дії і відповідає збудженням. Таке пристосування збудливої ​​тканини до сили, що повільно збільшується, подразника називають акомодацією.Чим більший мінімальний градієнт, тим нижче збудливість тканини і тим більше виражена в ній здатність до акомодації. Практична значимість цього показника полягає в тому, що при проведенні різних медичних маніпуляцій у людини в ряді випадків можна уникнути розвитку сильних больових відчуттів та шокових станів, повільно змінюючи швидкість наростання сили та час дії.

Лабільність- функціональна рухливість збудливої ​​тканини. Лабільність визначається швидкістю елементарних фізико-хімічних перетворень, що у основі одиночного циклу збудження. Мірою лабільності є максимальна кількість циклів (хвиль) збудження, які можуть генерувати тканину в одиницю часу. Кількісно величина лабільності визначається тривалістю протікання одиночного нікла збудження та тривалістю фази абсолютної рефрактерності. Так, вставні нейрони спинного мозку можуть відтворювати понад 500 циклів збудження чи нервових імпульсів на секунду. Вони мають високу лабільність. Мотонейрони, що контролюють скорочення м'язів, характеризуються нижчою лабільністю та здатні генерувати не більше 100 нервових імпульсів на секунду.

Різниця потенціалів (ΔЕ)між потенціалом спокою на мембрані (Е 0) та критичним рівнем деполяризаціїмембрани (Ек). ΔЕ = (Е 0 - Е к) є одним із найважливіших показників збудливості клітини. Цей показник відбиває фізичну сутність порога сили подразника. Подразник є пороговим у разі, коли він здатний усунути такий рівень поляризації мембрани до Е до, при досягненні якого на мембрані розвивається процес збудження. Чим менше значення Е, тим вище збудливість клітини і тим на більш слабкі впливи вона реагуватиме збудженням. Однак показник Е мало доступний для вимірювання у звичайних умовах. Фізіологічна значимість цього буде розглянуто щодо природи мембранних потенціалів.

Закони реагування збудливих тканин на подразнення

Характер реагування збудливих тканин на дію подразників у класичній прийнято описувати законами подразнення.

Закон силиРоздратування стверджує, що зі збільшенням сили надпорогового подразника до певної межі зростає і величина реакції у відповідь. Цей закон застосовний для реакції у відповідь скорочення цілісного скелетного м'яза і сумарної електричної реакції реакції нервових стовбурів, що включають безліч волокон, що володіють різною збудливістю. Так, сила скорочення м'яза зростає зі збільшенням сили подразника, що впливає на неї.

Для тих же збуджуваних структур застосовні закон тривалості подразнення та закон градієнта подразнення. Закон тривалості роздратуваннястверджує, що чим більша тривалість надпорогового подразнення, тим більша величина реакції у відповідь. Звичайно, зростання відповіді йде тільки до певної межі. Закон градієнта роздратування -чим більше градієнт наростання сили подразника в часі, тим більше (до певної межі) величина реакції у відповідь.

Закон все чи нічогостверджує, що при дії підпорогових подразників збудження не виникає, а при дії порогового та надпорогових подразників величина реакції у відповідь, обумовленої збудженням, залишається постійною. Отже, вже на пороговий подразник збудлива структура відповідає максимально можливою для даного функціонального стану реакцією. Цьому закону підпорядковуються поодиноке нервове волокно, на мембрані якого у відповідь на дію порогового та надпорогового подразників генерується потенціал дії однакових амплітуди та тривалості. Закону «все чи нічого» підпорядковується реакція одиночного волокна скелетного м'яза, що відповідає однаковими по амплітуді та тривалості потенціалами дії та однаковою силою скорочення як на пороговий, так і на різні за силою надпорогові подразники. Цьому закону підпорядковується також характер скорочення цілісного м'яза шлуночків серця та передсердь.

Закон полярної дії електричного струму (Пфлюгер)постулює, що з дії на збудливі клітини постійного електричного струму в останній момент замикання ланцюга збудження виникає у місці докладання катода, а при розмиканні — у місці контакту з анодом. Сама по собі тривала дія постійного струму на збудливі клітини та тканини не викликає в них збудження. Неможливість ініціювання збудження таким струмом можна розглядати як наслідок їх акомодації до подразника, що незмінюється в часі, з нульовою крутістю наростання. Однак оскільки клітин поляризовані і на їх внутрішній поверхні є надлишок негативних зарядів, а на зовнішній - позитивних, то в області докладання до тканини анода (позитивно зарядженого електрода) під дією електричного поля частина позитивних зарядів, представлених катіонами К+, буде переміщатися всередину клітини та їх концентрація на зовнішній поверхні поменшає. Це призведе до зниження збудливості клітин та ділянки тканини під анодом. Зворотні явища спостерігатимуться під катодом.

Вплив на живі тканини електричним струмом та реєстрація біоелектричних струмів часто використовуються у медичній практиці для діагностики та лікування та особливо при проведенні експериментальних фізіологічних досліджень. Це викликано тим, що величини біострумів відбивають функціональний стан тканин. Електричний струм має лікувальну дію, легко дозуємо за величиною та часом впливу, і його ефекти можуть спостерігатися при силах впливу, близьких до природних величин біострумів в організмі.

Збудливі тканини та їх загальні властивості

Збудливі тканини – це нервова, м'язова та залізиста структури, які здатні спонтанно або у відповідь на дію подразника порушуватись. Порушення – це генерація потенціалу дії (ПД) + поширення ПД + специфічна відповідь тканини цей потенціал, наприклад, скорочення, виділення секрету, виділення кванта медіатора.

Властивості збудливих тканин та показники, що їх характеризують:

Властивості

1. Збудливість – здатність порушуватись

2. Провідність – здатність проводити збудження, тобто. проводити ПД

3. Скоротимість – здатність розвивати силу чи напругу при збудженні

4. Лабільність – або функціональна рухливість – здатність до ритмічної активності

5. Здатність виділяти секрет (секреторна активність), медіатор

Показники

Поріг подразнення, реобазу, хронаксія, тривалість абсолютної фази рефракторної, швидкість акомодації.

Швидкість проведення ПД, наприклад, у нерва може досягати 120 м/с (близько 600 км/год).

Максимальна величина сили (напруги), що розвивається при збудженні.

Максимальна кількість збуджень в одиницю часу, наприклад, нерв здатний 1с генерувати 1000 ПД.

Електричні явища у збудливих тканинах

Класифікація:

Біопотенціали– загальна назва всіх видів електричних процесів у живих системах.

Потенціал ушкодження- Історично перше поняття про електричну активність живого (демаркаційний потенціал). Це різниця потенціалів між непошкодженою та пошкодженою поверхнями живих збудливих тканин (м'язи, нерви). Розгадка його природи спричинила створення мембранної теорії біопотенціалів.

Мембранний потенціал(МП) – це різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями клітини (м'язового волокна) у спокої. Зазвичай МП, чи потенціал спокою, становить 50–80 мВ, зі знаком «–» усередині клітини. При збудженні клітини реєструється потенціал дії (його фази: пік, слідова негативність, слідова позитивність) – швидка зміна мембранного потенціалу під час збудження.

Позаклітинно-реєстрований потенціал дії,внутрішньоклітинно-реєстрований потенціал дії- Це варіанти потенціалів дії, форма яких залежить від способу відведення (див. нижче).

Рецепторний (генераторний) потенціал- Зміна МП рецепторних клітин під час їх збудження.

Постсинаптичні потенціали(варіанти: збуджуючий постсинаптичний потенціал – ВПСП, гальмівний постсинаптичний потенціал – ТПСП, окремий випадок збуджуючого постсинаптичного потенціалу – ПКП – потенціал кінцевої платівки).

Викликаний потенціал- Це потенціал дії нейрона, що виникає у відповідь на збудження рецептора, що несе інформацію до цього нейрона.

Історія дослідження фізіології збудження

Л. Гальвані був першим, хто переконався у існуванні «живої електрики». Його перший (балконний) досвід полягав у тому, що препарат задніх лапок жаб на мідному гачку був підвішений до залізного балкона. Від вітру він зачіпав балконні перила, і це викликало скорочення м'язів. За Гальвані, це було результатом замикання ланцюга струму, внаслідок чого жива електрика викликала скорочення. Вольта (італійський фізик) спростував таке пояснення. Він думав, що скорочення обумовлено наявністю «гальванічної пари» – залізо-мідь. У відповідь Гальвані поставив другий досвід (досвід без металу), який доводив ідею автора: накидався нерв між пошкодженим і непошкодженим поверхнями м'яза і у відповідь – скорочення інтактного м'яза.

Мембранний потенціал та його походження

МП, або потенціал спокою, – це різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани в умовах спокою. У середньому у клітин збудливих тканин він досягає 50-80 мВ, зі знаком "-" усередині клітини. Обумовлений переважно іонами калію. Як відомо, у клітинах збудливих тканин концентрація іонів калію досягає 150 ммоль/л, у середовищі – 4–5 ммоль (іонів калію набагато більше у клітині, ніж у середовищі). Тому градієнт концентрації калій може виходити з клітини, і це відбувається за участю калієвих каналів, частина яких відкрита в умовах спокою. В результаті через те, що мембрана непроникна для аніонів клітини (глутамат, аспартат, органічні фосфати), на внутрішній поверхні клітини утворюється надлишок негативно заряджених частинок, а на зовнішній - надлишок позитивно заряджених частинок. Виникає різниця потенціалів. Що концентрація калію серед – тим менше це ставлення, тим менше величина мембранного потенціалу. Однак розрахункова величина, як правило, нижча за реальну. Наприклад, за розрахунками МП має бути -90 мВ, а реально -70 мВ. Ця розбіжність обумовлена ​​тим, що іони натрію і хлору теж роблять свій внесок у створення МП. Зокрема, відомо, що натрію більше середовищі (140 ммоль/л проти 14 ммоль/л внутрішньоклітинної). Тому натрій може увійти до клітини. Але більшість натрієвих каналів за умов спокою закрито. Тому в клітину входить лише невелика частина іонів натрію. Але й цього достатньо, щоб хоча б частково компенсувати надлишок аніонів. Іони хлору, навпаки, входять до клітини (частково) і вносять негативні заряди. Через війну величина мембранного потенціалу визначається переважно калієм, і навіть натрієм і хлором.

Для того, щоб МП підтримувався на постійному рівні, необхідна підтримка іонного гетсрогенітету – іонної асиметрії. Для цього, зокрема, служить натрієвий калій-натрієвий (і хлорний), який відновлює іонну асиметрію, особливо після акту збудження. Доказом калієвої природи МП є наявність залежності: що стоїть концентрація калію серед, тим менше величина МП. Для подальшого викладу важливим є поняття: деполяризація (зменшення МП, наприклад, від мінус 90 мВ до мінус 70 мВ) та гіперполяризація – протилежне явище.

Потенціал дії

Потенціал дії– це короткочасна зміна різниці потенціалу між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани (або між двома точками тканини), що виникає у момент збудження. При реєстрації потенціалу дії за допомогою мікроелектродної техніки спостерігається типовий пікоподібний потенціал. У ньому виділяють такі фази чи компоненти:

1. Локальна відповідь – початковий етап деполяризації.

2. Фазу деполяризації – швидке зниження мембранного потенціалу до нуля та перезаряджання мембрани (реверсія, або овершут).

3. Фазу реполяризації – відновлення вихідного рівня мембранного потенціалу;

у ній виділяють фазу швидкої реноляризації та фазу повільної реполяризації, у свою чергу, фаза повільної реполяризації представлена ​​слідовими процесами (потенціалами):

слідова негативність (слідова деполяризація) та слідова позитивність (слідова гіперполяризація). Амплітудно-часові характеристики потенціалу дії нерва, скелетного м'яза такі: амплітуда потенціалу дії 140-150 мВ; тривалість піку потенціалу дії (фаза деполяризації + фаза реполяризації) становить 1–2 мс, тривалість слідових потенціалів – 10–50 мс.

Форма потенціалу дії (при внутрішньоклітинному відведенні) залежить від виду збудливої ​​тканини: у аксона нейрона, скелетного м'яза – пікоподібні потенціали, у гладких м'язів в одних випадках пікоподібні, в інших – платоподібні (наприклад, потенціал дії гладких м'язів матки вагітної жінки – платоподібний, а тривалість його становить майже 1 хвилину). У серцевого м'яза потенціал дії має платоподібну форму.

Природа потенціалу дії

При дослідженні ПД аксонів і соми нервової клітини ПД скелетного м'яза було встановлено, що фаза деполяризації обумовлена ​​значним підвищенням проникності для іонів натрію, які входять до клітини на початку процесу збудження і таким чином зменшують існуючу різницю потенціалу (деполяризація). При цьому чим вище ступінь деполяризації, тим вище стає проникність натрієвих каналів, тим більше іонів натрію входить в клітину і тим вище ступінь деполяризації. У цей період відбувається не тільки зниження різниці потенціалів до нуля, а й зміна поляризованості мембрани - на висоті піку ПД внутрішня поверхня мембрани заряджена позитивно по відношенню до зовнішньої (явище реверсії або овершута). Однак нескінченно цей процес йти не може: в результаті закриття інактиваційних воріт натрієві канали закриваються, і приплив натрію в клітину припиняється. Потім настає фаза реполяризації. Вона пов'язана із збільшенням виходу із клітини іонів калію. Це відбувається за рахунок того, що в результаті деполяризації більшість калієвих каналів, які в умовах спокою були закриті, відкриваються і «+» заряди йдуть за межі клітини. Спочатку цей процес йде дуже швидко, потім - повільно, тому фаза реполяризації спочатку протікає швидко (низна частина піку ПД), а потім повільно (слідова негативність). Цей процес лежить в основі фази слідової гіперполяризації. З огляду на слідових потенціалів відбувається активація калій-натрієвого насоса. Якщо він працює в електронейтральному режимі (2 іони натрію виносяться з клітини в обмін на 2 іони калію, що вносяться в клітину), то на формі ПД цей процес не відображається. Якщо ж насос працює в електрогенному режимі, коли 3 іони натрію виносяться з клітини в обмін на 2 іони калію, що вносяться в клітину, то в результаті на кожен такт роботи насоса в клітину вноситься на 1 катіон менше, ніж виноситься, тому в клітці поступово зростає надлишок аніонів, т. с. у такому режимі насос сприяє появі додаткової різниці потенціалів. Це може лежати в основі фази слідової гіперполяризації.

У серцевому м'язі природа ПД інша: процес деполяризації обумовлений іонами натрію та кальцію – ці іони входять усередину клітини на початку фази деполяризації.

У гладких м'язах судин, шлунка, кишечника, матки та інших утворень генерація ПД пов'язана з тим, що в момент збудження в клітину входять, головним чином, не іони натрію, а іони кальцію.

Закони подразнення збудливих тканин

Перш ніж розглянути ці закони, необхідно уявити, як відбувається порушення, тобто. які умови повинні виникнути у збудливій тканині, щоб вона реалізувала свою здатність порушуватись. Основна умова – зниження мембранного потенціалу до критичного рівня деполяризації (КУД). Будь-який агент, якщо він здатний це зробити, одночасно викликає і збудження тканини. Наприклад, МП –70 мВ. КУД = -50 мВ. Щоб спричинити збудження, треба деполяризувати мембрану до -50 мВ, т. с. на 20 мВ зменшити її вихідний потенціал спокою. Як тільки МП досягне рівня КУД, то надалі процес (через регенеративність) продовжуватиметься самостійно і призведе до відкриття всіх натрієвих каналів, т. с. до створення повноцінного ПД. Якщо мембранний потенціал не досягне цього рівня, то у кращому випадку виникне так званий місцевий потенціал (локальна відповідь).

Всі агенти, які викликають гіперполяризацію тканини, в момент впливу не зможуть викликати збудження, тому що в цьому випадку МП не досягає критичного рівня деполяризації, а навпаки, уникає нього.

Три зауваження:

1. У ряді збудливих тканин величина мембранного потенціалу за часом непостійна - вона періодично знижується і самостійно досягає КУД, у результаті виникає спонтанне збудження (автоматія). Це характерно для водіїв ритму серця, для деяких гладких м'язів, наприклад м'язів матки.

2. Коли на тканину діє подразник (у підпороговій силі), він може викликати зміну КУД. Наприклад, тривала підпорогова деполяризація призводить до того, що КЗД змінюється: припустимо, у вихідному стані він становить -50 мВ, а в результаті тривалої деполяризації він стає рівним -40 або -30 мВ. У такій ситуації викликати збудження стає складніше. В цілому, це явище отримало назву акомодації збудливої ​​тканини. Воно є основою закону градієнта (не плутати з поняттям «акомодація ока»).

3. Для збудження тканини необхідна наявність зовнішнього подразника стосовно цієї тканини (виняток – тканини, що мають автоматію). Такими подразниками в природних умовах може бути нервовий імпульс, виділення медіатора. Загалом у фізіології говорять про два види подразників – адекватних та неадекватних. Адекватні подразники – це такі дії, які «у малих дозах» здатні викликати збудження. Наприклад, квант світла для фоторецептора, нервовий імпульс для синапсу. Неадекватний подразник теж здатний викликати збудження, але для цього він повинен бути використаний у великих дозах, внаслідок чого тканина може пошкоджуватися.

Для того, щоб подразник викликав збудження, він повинен бути: 1. досить сильним (закон сили), 2. досить тривалим (закон часу), 3. досить швидко наростати (закон градієнта). Якщо цих умов не дотримуються, то порушення немає. Розглянемо докладніше ці закони роздратування та наслідки, які з них випливають.

Закон сили.Щоб виникло збудження, подразник має бути досить сильним – пороговим або вищим за пороговий. Зазвичай під терміном поріг розуміється мінімальна сила подразника, яка здатна викликати збудження. Наприклад, щоб викликати збудження нейрона при МП = -70 мВ та КУД = -50 мВ, порогова сила повинна дорівнювати -20 мВ. Менша сила подразника відповіді не викликатиме.

Один важливий наслідок цього закону – запроваджено поняття «поріг роздратування» (мінімальна сила подразника, здатного викликати збудження). Визначаючи цей показник,

Закон часу(або залежність граничної сили подразника від часу його дії). Цей закон стверджує: подразник, який викликає збудження, має бути досить тривалим, впливати на тканину деякий час, щоб викликати збудження. Виявилося, що у певному діапазоні залежність порогової сили подразника від тривалості його дії носить характер зворотної залежності (гіперболу) – що менше за часом діє тканину подразник, то вище потрібна його сила для ініціації збудження. На кривій (Гоорвега-Вейса-Лапіка) виділяють області, які свідчать про те, що якщо подразник досить тривалий, то гранична сила подразника не залежить від його тривалості. Ця мінімальна сила одержала назву «реобазу». Починаючи з деякої величини тривалості імпульсу, порогова сила залежить від тривалості – що менше тривалість, то вище має бути сила подразника. Вводиться поняття «корисний час» – мінімальний час, протягом якого подразник цієї сили має впливати на тканину, щоб викликати збудження. Якщо сила подразника дорівнює двом реобаз, то корисний час для такого подразника отримує ще одну назву - хронаксія. (Отже, хронаксія – це корисний час подразника, сила якого дорівнює 2 реобазам).

А-поріг (реобаза); Б-подвоєна реобаза; а-корисний час дії струму, б - хронаксія.

Закон градієнта.Для того, щоб подразник викликав збудження, він повинен наростати досить швидко. Якщо подразник наростає повільно, то з розвитку акомодації (інактивації натрієвих каналів), відбувається підвищення порога подразнення, для отримання збудження величина стимулу має бути більше, ніж якби він наростав миттєво. Залежність величини порогової сили подразника від швидкості його наростання теж має гіперболічний характер (є зворотно-пропорційною залежністю). Мінімальний градієнт – це мінімальна швидкість наростання подразника, коли тканина ще здатна відповісти збудженням на даний подразник. Цей показник також використовується для характеристики збудливості.

Співвідношення фаз потенціалу дії та збудливості

Коли тканина збуджується - генерує ПД, то тимчасово (відповідно до тривалості ПД) у ній змінюється збудливість: спочатку тканина стає абсолютно незбудливою (абсолютна рефрактерність) - будь-який по силі стимул не здатний викликати в ній новий напад збудження. Ця фаза зазвичай спостерігається під час піку ПД. Потім відбувається поступове відновлення збудливості до вихідного стану (фаза відносної рефрактерності) - в цей момент подразник може викликати збудження (генерацію нового ПД), але для цього він має бути набагато більшим за пороговий (вихідний). Потім (у фазу слідової негативності) збудливість підвищується (суперзбудливість або фаза екзальтації). У цей момент подпорогові подразники можуть викликати збудження. Зрештою, у тканинах, у яких яскраво проявляється слідова гіперполяризація, спостерігається ще одна фаза – субнормальна збудливість (знижена збудливість).



Фізіологія збудливих тканин

1. Поняття про збудливість та збудження. Показники збудливості.

2. Подразники нервів та м'язів.

3. Закон сили (силових співвідношень).

4. Закон "все чи нічого".

5. Дія постійного струму на збудливі тканини: а) закон полярної дії постійного струму; б) електротон, періелектротон.

6. Значення чинника часу у виникненні збудження.

7. Біоелектричні явища в нервах та м'язах.

8. Лабільність, або функціональна рухливість тканин (Введенський)

9. Оптимум і песимум частоти та сили подразнення (Введенський)

10." Парабіоз, стадії його (Введенський)

11. Фізіологічні властивості нервових волокон та закони проведення збудження. за ними.

12.Аксоплазматичний транспорт речовин та трофічна функція нервів

13. Механізм передачі збудження з нерва на м'яз (синаптична передача збудження).

14. Фізіологічні властивості м'язів.

15. Сила та робота м'язів.

16. Поняття механізм виникнення стомлення.

До збудливих тканин відносяться нервова тканина (периферична та ЦНС), м'язи (гладкі, скелетні, міокард) та залізисті клітини. Збудливість – це властивість (здатність) тканин відповідати роздратування. При цьому тканина ще не перебуває у робочому стані, а має лише здатність, готовність відповідати на подразнення. Порушення - це перехід стану спокою до діяльності. Для збудження нервів характерна генерація потенціалів (імпульсу), а м'язи - генерація біопотенціала і скорочення. За ступенем збудливості тканини різняться. Найбільш висока збудливість у соматичних нервів, але серед них є волокна, що мають неоднакову збудливість і різну швидкість проведення збудження. Менше, ніж у соматичних нервів, збудливість вегетативної нервової системи (симпатичної та парасимпатичної). У м'язів найбільшу збудливість мають скелетні (які скорочуються фазно, швидко - це головним чином м'язи кінцівок). Найменша збудливість у тонічних м'язів (підтримують позу, положення у просторі), ніж у фазних. Ще менша збудливість у міокарда (у нього дуже велика абсолютна рефрактерність, що займає всю систолу); найменша збудливість у гладких м'язів (вони скорочуються за принципом тонічного скорочення).

Показники збудливості: I) поріг подразнення - це мінімальна сила подразника, що викликає мінімальну реакцію у відповідь (збудження). При високій збудливості тканин поріг нижче, і навпаки. Підпорогове подразнення (сила роздратування нижче граничної величини) - зазвичай викликає видимих ​​змін, але може призвести до місцевого збудження без поширення інші ділянки. Надпорогове подразнення - величина подразника вище граничної величини, тому реакція у відповідь більше, і може бути максимальною на ці подразнення. 2) хронаксія - це мінімальний час, який необхідний виникнення мінімального збудження при силі струму в два порога (2 реобази; реобаза – це інакше поріг подразнення). Види хронаксії: а) рухова – критерієм є скорочення м'яза. Для визначення хронаксії будь-якого м'яза є спеціальні таблиці із зазначенням розташування рухових точок, за якими визначають місце входження рухового нервового закінчення в будь-який м'яз. При подразненні цієї точки (рухова точка) можна отримати ізольоване скорочення будь-якого м'яза. Двигуна хронаксія є об'єктивним методом дослідження (від волі людини нічого не залежить). Чим вища збудливість м'язів, тим нижча хронаксія. Наприклад, хронаксія м'язів згиначів в людини нижче за хронаксію м'язів розгиначів, тобто. у перших збудливість більша.

б) чутлива хронаксія визначається за мінімальним відчуттям проходження струму. Метод є суб'єктивним. Характеризує стан провідності та рецепторного апарату, в) рефлекторна хронаксія – подразнюються рецептори на шкірі та у відповідь на подразнення рецепторів виникає моторна відповідь. Роздратування поширюється рефлекторним шляхом (рецептор - аферентний шлях - центр - еферентний шлях - м'яз), г) субординаційна - величина хронаксії соматичних нервів може бути змінена під впливом ЦНС. Якщо буде гальмування ЦНС, то хронаксія може збільшуватися, за високої збудливості ЦНС всі види хронаксії знижено, д) конституційна - коли виключається вплив ЦНС (наприклад, у результаті травми може бути повна перерва нерва). У початковому періоді після припинення впливу ЦНС хронаксія подовжується, але потім може бути зниження або відновлення до норми. 3) лабільність (функціональна рухливість) – це швидкість протікання кожного циклу збудження. При високій збудливості – лабільність вища, і навпаки.

Подразники миші та нервів. Всі подразники бувають 2-х груп: I) адекватні (природні), наприклад, нервовий імпульс, адекватний подразник для м'язів, ЦНС і нервів. 2) неадекватні (неприродні) – вплив електричним струмом, хімічними речовинами, механічні дії, температура, дозований електричний струм. Велике значення має вигляд струму. Найчастіше використовується постійний прямокутний струм, оскільки подразнення постійним струмом проявляється або в момент замикання або розмикання (різкої зміни величини струму). У період проходження постійного струму м'яз не скорочується. Якщо наростання струму буде поступовим, то струм може бути вже надпороговим, а скорочення м'яза не буде. Крім крутості (спаду та наростання), враховуються ще: I) величина (амплітуда) струму, 2) частота (Гц) - якщо вона буде дуже високою, то більша частина подразнень потраплятиме на абсолютну рефрактерність, і будуть неефективні. 3) тривалість дії кожного стимулу (у мілісекундах). Тому дозований струм знаходить широке застосування. Інші види неадекватних впливів не знайшли застосування (оскільки їх важко дозувати). Хоча в природних умовах такі подразники, як хімічні в організмі широко представлені (гормони, медіатори, інші біологічно активні речовини).

Залежність між величиною подразника і реакцією у відповідь: I) закон сили - зі збільшенням сили подразнення реакція у відповідь зростає, але тільки до певної межі. При будь-якій великій силі, може бути зниження реакції у відповідь. Цей закон уражає всіх збудливих тканин. 2) закон "все чи нічого" - якщо величина подразника досягає порогової, то може бути тільки повна реакція, а якщо величина ця низька, нижче за поріг, то нічого немає. Однак якщо розглянути додаток цього закону до цілого м'яза або нервового стовбура, а не до окремого нервового або м'язового волокна, то цей закон не застосовний, так як у складі нервового стовбура або м'яза є волокна, що мають різну збудливість. Тому одні м'язові чи нервові волокна будуть реагувати на менші сили подразників, інші – на великі. Тому зі збільшенням сили подразника поступово збільшується сила скорочення скелетних м'язів.

Дія постійного струму на збудливу тканину. Для постійного струму (гальванічної збудливості тканин) характерні закони: I) закон полярної дії: а) постійний струм діє своїми полюсами - катодом (К) і анодом (А); анод, в) дратівливу дію катода сильніше, ніж анода, тому поріг для катода буде менше, ніж анода. Закон можна знайти на нервово-м'язовому препараті. При слабкому струмі проявляється лише замикаюче скорочення (ЗС); якщо струм середньої сили, то виникає і замикальна скорочення і розмикання (PC). Якщо використовувати сильний постійний струм, то реакція у відповідь на подразнення залежить від розташування електродів, тобто. від напряму струму. Якщо ближче до м'яза розташовується анод, то кажуть, що висхідний струм. При розташуванні електродів у зворотному порядку (ближче до м'яза розташовується катод) - струм низхідний. При дії сильного струму під анадом відбувається блокада проведення збудження (в цьому місці відбувається гіперполяризація), тому, збудження, що виникло під катодом, дійде до анода, але до м'яза через ділянку гіперполяризації не пройде, і катодно-замикательного скорочення не буде.

Дія струму. середньої сили. При будь-якому розташуванні електродів буде і замикальне та розмикаюче скорочення. Якщо перев'язати нерв між електродами, то залежно від розташування електродів буде:

а) якщо електроди розташовані: ближче до м'яза знаходиться катод, а за ділянкою перев'язки – анод, то замикаюче скорочення є, а розмикання - ні, оскільки збудження під анодом дійшовши до перев'язки, далі не поширюється, і м'яз не скорочується.

б) при розташуванні електродів: ближче до м'яза знаходиться анод, а за ділянкою перев'язки нерва – катод, то при замиканні імпульси не доходять до м'яза і замикального скорочення не відбувається.

Для визначення електродіагностичної формули (у медицині), що ґрунтується на законі полярної дії постійного струму, використовують уніполярний метод подразнення. Один електрод у вигляді пластинки накладають на певну ділянку тіла, а інший – точковий електрод – на рухову точку. Для уніполярного методу характерно те, що дратівливою властивістю володіє електрод з малою поверхнею (активний електрод), а пластинчастий - пасивний електрод, що не подразнює, оскільки щільність струму на одиницю площі в точковому електроді в багато разів більша, ніж у пластинчастого. При накладенні цих електродів буде 4 електроди: I) істинний катод (К); 2) істинний анод (А); 3) силові лінії йдуть від анода до катода, які перетинають нерв, входячи в нього. Потім вони виходять із нерва, утворюючи додатковий полюс - фізіологічний катод (К). 4) Потім силові лінії входять у нерв, і під катодом утворюється фізіологічний анод (А). Якщо використовується слабкий струм, то визначається лише катодно-замикаюче скорочення (КЗЗ). При струмі

середньої сили, визначається КЗЗ, анодно - замикальне (АЗС) та анодно-розмикальне скорочення (АРС). При сильному струмі можна визначити пороги (поріг КЗС<АЗС<АРС<КРС). Это. и есть электродиагностическая формула. Для того чтобы понять кокой порог за счет какого электрода определяется, необходимо вспомнить закон полярного действия постоянного тока. Исходя из этого закона можем констатировать: КЗС - соответствует закону полярного действия, и сокращение мышцы происходит за счет раздражающего действия истинного катода; АЗС - не соответствует этому закону полярного действия, но в данном случае раздражающим электродом является физиологический катод (К²); АРС - соответствует закону полярного действия, раздражение происходит за счёт истинного А; КРС - не соответствует закону, но под катодом образуется физиологический А и за счёт раздражения этого полюса происходит КРС. Электродиагностическая формула определяется для диагностики нарушений целостности нерва, иннервирующего мышцу, и для контроля за ходом лечения. Например, при травме нерва, если происходит ущемление или нарушение целостности нерва, то электродиагностическая формула изменяется.

Електротон - це зміна збудливості та провідності під електродами постійного струму. При замиканні чи пропусканні постійного струму збудливість під катодом збільшується - це кателектротон. У той же час, під анодом збудливість і провідність знижені - це анелектротон. Анодом можна досягти повної блокади проведення нервового імпульсу. При тривалій дії постійного струму, або пропускання сильного постійного струму, можуть бути збочення звичайних електротонічних змін: I) катодична депресія (описав Веріго) - при пропусканні сильного постійного струму, або тривалому пропусканні постійного струму, знижується збудливість та провідність під катодом. 2) анодічне полегшення – пропускання сильного струму, або тривале пропускання струму призводить до підвищення збудливості під анодом. За принципом електротонічного зміни може бути проведення збудження в деяких безмієлінових волокнах, але швидкість його нижче, ніж імпульсного. Крім електротонічних змін, є периэлектротонические зміни, що мають протилежний характер, порівняно з електротонічними: у анода збудливість підвищена, а у катода - збудливість та провідність знижені (явище периэлектротона описав Н.Е.Введенський).

Значення фактора часу для роздратування. Постійний струм дратівливою дією має в момент замикання та розмикання, якщо використовувати тривалі стимули (у вигляді замикання та розмикання без урахування тривалості кожного стимулу). Коли використовуються тривалі інтервали роздратування, час немає значення, а має значення лише швидкість зміни величини струму на момент замикання і розмикання (закон Дюбуа –Реймона). Але коли інтервали подразнення короткі (мілісекунди), то фактор часу має важливе значення у виникненні збудження. Тривалість часу подразнення і величина порога друг від друга залежать: зі зменшенням часу подразнення, порогова величина струму збільшується (це видно кривій Гоорвега – Вейса). Французькі вчені Лапік і Бургіньйон запропонували визначати не всю криву, а лише у точці хронаксії, яка визначається при подвоєній реобазі. Тому методика визначення збудливих тканин полегшується. Інтервал з моменту появи залежності між часом та величиною порогового струму буде ліворуч від ДС, а праворуч від цього – нескінченний час – тут час не має значення для виникнення подразнення. Тут діє закон Дюбуа-Реймона, який вважав, що дратівлива дія постійного струму залежить від швидкості зміни величини струму: у момент замикання крутість струму зростає, і в момент розмикання - вона швидко падає. Тривалість струму не має дратівливої ​​дії, тут струм дорівнює

А D 2.0 мсек

Крива "сила – тривалість" (крива Гоорвега – Вейса) АВ – реобаза; 2 – подвійна реобаза; AD – хронаксія. По осі абсцис – тривалість дії стимулу, по осі ординат – величина реобази.

граничній величині (реобазі). У лівій частині кривої від ДС - діє залежність між часом подразнення та величиною порогового струму (зі зменшенням часу, порогова величина струму збільшується). Струм ультрависокої частоти (УВЧ) не має дратівливої ​​дії, так як кожне подальше подразнення падає на абсолютну рефрактерність.

Біоелектричні явища в нервах та м'язах. У 1791 р. Гальвані відкрив. біоструми. Він працював з нервово-м'язовими препаратами, їх розвішував на мідний дріт у себе на балконі, а поручні балкона були металеві і одного разу, коли з'явився вітер, препарати (лапки жаби) зачіпали металеві перила. Кожен дотик із поручнями супроводжувався скороченням лапок. Він зробив висновок, що за рахунок «тварини електрики» (пізніше названими біострумами) відбувається скорочення лапок жаби. Вже наступного року фізик Вольта виступив із критикою положень Гальвані. Вольта вважав, що в цьому випадку йдеться про виникнення електрорушійної сили між різнорідними металами (в цьому відношенні він мав рацію), що і є подразником для нервово-м'язового препарату. На підтвердження своєї правоти Гальвані поставив досвід без використання металу. Він брав два нервово - м'язові препарати, нерв першого він дратував, а нерв другого - накладав на м'яз першого препарату (досвід Маттеучі).

Роздратування нерва першого препарату завжди супроводжувалося скороченням м'яза у першого та другого препаратів. У момент виникнення збудження у м'язі першого препарату, там з'являється різниця потенціалів між ділянками м'яза. Так як поверхня ділянки збудження заряджається електронегативно, а збуджена ділянка має позитивний заряд, то ця різниця потенціалів є подразником для м'яза другого препарату. Ці відкриття остаточне підтвердження знайшли у досвіді Маттеучі «з вторинним тетанусом», коли він викликався біострумами збудженого м'яза іншого препарату. У 1902 р. була сформульована перша гіпотеза Бернштейна про походження біострумів – мембранно-іонна гіпотеза виникнення збудження. Ця теорія існувала до 40-х 20 століття, коли з'явилася можливість використання підсилювачів.

Мембранний потенціал (потенціал спокою)

Мембрана будь-якої клітини складається з ліпідів і білків (раніше думали, що є пори, через які проходять електроліти всередину і клітини). Виявилося, що ці пори мають функціональний характер (відкриваються у певний момент). Будь-яка жива клітина має здатність створювати концентраційний градієнт: у цитоплазмі концентрація іонів К+ ~ у 50 разів більше, ніж поза клітиною, а натрію в 10 разів більше поза клітиною, ніж усередині її.

Досвід Ходжкіна-Хакслі на гігантському аксоні кальмара; А - форма потенціалу, зареєстрована в досвіді.

На схемі досвіду Ходжкіна – Хакслі показаний стрибок негативного потенціалу в останній момент введення електрода всередину аксона, т. е. внутрішнє середовище аксона було заряджено негативно щодо довкілля.

Електричний потенціал вмісту живих клітин прийнято вимірювати щодо потенціалу довкілля, який зазвичай приймають рівним нулю. Тому синонімами вважають такі поняття, як трансмембранна різниця потенціалів у спокої, потенціал спокою, мембранний потенціал. Зазвичай величина потенціалу спокою коливається від -70 до -95 мВ. Величина потенціалу спокою залежить від ряду факторів, зокрема від вибіркової проникності клітинної мембрани для різних іонів; різної концентрації іонів цитоплазми клітини та іонів навколишнього середовища (іонної асиметрії); роботи механізмів активного транспорту іонів Усі ці чинники тісно пов'язані між собою, та його поділ має певну умовність.

У незбудженому стані клітинна мембрана високопроникна для іонів калію та малопроникна для іонів натрію. Це було показано в дослідах з використанням ізотопів натрію і калію: через деякий час після введення всередину радіоактивного калію аксону його виявляли в зовнішньому середовищі. Таким чином, відбувається пасивний (за градієнтом концентрацій) вихід іонів калію з аксону. Додавання радіоактивного натрію у довкілля призводило до незначного підвищення його концентрації всередині аксона. Пасивний вхід натрію всередину аксона дещо зменшує величину потенціалу спокою.

Різниця концентрацій іонів калію поза і всередині клітини і висока проникність клітинної мембрани для іонів калію забезпечують дифузійний струм цих іонів з клітини назовні та накопичення надлишку позитивних іонів К+ на зовнішній стороні клітинної мембрани, що протидіє подальшому виходу іонів К з клітини. Дифузійний струм іонів калію існує до тих пір, поки прагнення їх рухатися концентраційним градієнтом не врівноважується різницею потенціалів на мембрані. Ця різниця потенціалів називається калієвим рівноважним потенціалом.

Рівноважний потенціал (для відповідного іона) - різниця потенціалів між внутрішнім середовищем клітини та позаклітинною рідиною, при якій вхід та вихід іона врівноважений (хімічна різниця потенціалів дорівнює електричній). Слід пам'ятати: 1) стан рівноваги настає внаслідок дифузії лише дуже невеликої кількості іонів (проти їх загальним змістом); калієвий рівноважний потенціал завжди більший (за абсолютним значенням) реального потенціалу спокою, оскільки мембрана в спокої не є ідеальним ізолятором, зокрема є невеликий витік іонів Na+.

У стані спокою клітинна мембрана високопроникна не тільки для іонів К+. У м'язових волокон мембрана високопроникна для іонів Сl. У клітинах з високою проникністю для іонів хлору, як правило, обидва іони (Сl і К+) практично однаково беруть участь у створенні потенціалу спокою.

Відомо, що у будь-якій точці електроліту кількість аніонів завжди відповідає кількості катіонів (принцип електронейтральності), тому внутрішнє середовище клітини у будь-якій точці електронейтральна. Дійсно, у дослідах Ходжкіна, Хакслі та Катца переміщення електрода всередині аксона не виявило відмінність у величині потенціалу спокою. Підтримувати постійну різницю концентрації іонів (іонну асиметрію) без спеціальних механізмів неможливо. У мембранах існують системи активного транспорту, що працюють із витратою енергії та переміщують іони проти градієнта концентрацій. Експериментальним доказом існування механізмів активного транспорту є результати дослідів, у яких активність АТФази пригнічували різними способами, наприклад серцевим глікозидом оуабаїном. При цьому відбувалося вирівнювання концентрацій іонів К+ поза та всередині клітини та мембранний потенціал зменшувався до нуля.

Найважливішим механізмом, що підтримує низьку внутрішньоклітинну концентрацію іонів Na+ та високу концентрацію іонів К+, є натрій - калієвий насос. Відомо, що в клітинній мембрані є система переносників, кожен з яких зв'язується з 3 іонами Na+, що знаходяться всередині клітини, і виводить їх назовні. З зовнішнього боку переносник зв'язується з 2 іонами К+, що знаходяться поза клітиною, які переносяться в цитоплазму. Робота систем переносників забезпечується з допомогою АТФ. Внаслідок чого забезпечується: збереження високої концентрації К+ та низької концентрації Nа + усередині клітини; калій – натрієвий насос сприяє сполученому транспорту амінокислот та цукрів через клітинну мембрану. Потенціал дії

Під потенціалом дії розуміють швидке коливання потенціалу спокою, що супроводжується перезарядкою мембрани. Потенціал дії виникає при нанесенні подразнення. На кривих під час реєстрації потенціалу дії реєструються: I) латентний період (прихований). 2) фаза деполяризації – крутий підйом кривої, у своїй поверхню клітини заряджається негативно. 3) фаза реполяризації – відновлення колишнього стану. Відновлення до вихідного рівня відразу не відбувається, а є 4) слідові потенціали (негативний та позитивний).

Потенціал дії одиночної клітини та її фази. Реакція клітинної мембрани на подразливий стимул; I – локальна відповідь; 2 – швидка деполяризація; 3 – реверсія; 4 – реполяризація; 5-слідові (негативний та позитивний) потенціали.

Активні підпорогові зміни мембранного потенціалу називають локальною відповіддю.

Зміщення мембранного потенціалу до критичного рівня призводить до створення потенціалу дії. Мінімальне значення струму, необхідного для досягнення критичного потенціалу називають пороговим струмом. У дослідах Ходжкіна та Хакслі було виявлено, на перший погляд, дивовижний ефект. Під час генерації потенціалу дії мембранний потенціал зменшувався не просто до нуля, як би випливало з рівняння Нернста, але змінив свій знак на протилежний. Аналіз іонної природи потенціалу дії, проведений спочатку Ходжкіним, Хакслі і Катцем, дозволив встановити, що фаза деполяризації потенціалу дії та перезаряджання мембрани (овершут) обумовлені рухом іонів натрію всередину клітини, тобто натрієві канали виявилися електрокерованими. Порушення призводить до активації натрієвих каналів та збільшення натрієвого струму. Це забезпечує локальну відповідь. Зміщення мембранного потенціалу до критичного рівня призводить до стрімкої деполяризації клітинної мембрани та забезпечує фронт наростання потенціалу дії. Якщо видалити іони Na ​​із довкілля, то потенціал дії немає. Аналогічний ефект вдавалося отримати при додаванні перфузійний розчин специфічного блокатора натрієвих каналів - тетродоксину. При заміні іонів натрію інші іони і речовини, наприклад холін, вдалося показати, що вхідний струм забезпечується натрієвим струмом, тобто у відповідь на деполяризуючий стимул відбувається підвищення натрієвої провідності. Таким чином, розвиток фази деполяризації потенціалу дії зумовлений підвищенням натрієвої провідності.

Перезарядка мембрани, або овершут, дуже характерна більшості збудливих клітин. Амплітуда овершута характеризує стан мембрани і залежить від складу поза- та внутрішньоклітинного середовища. На висоті овершута потенціал дії наближається до рівноважного натрієвого потенціалу, тому відбувається зміна знаку заряду на мембрані. Експериментально було показано, що амплітуда потенціалу дії практично не залежить від сили стимулу, якщо він перевищує граничну величину. Тому прийнято говорити, що потенціал дії підпорядковується закону "усі чи нічого".

На піку потенціалу дії провідність мембрани для натрію іонів починає швидко знижуватися. Цей процес називається інактивацією. Швидкість і рівень натрієвої інактивації залежить від величини мембранного потенціалу, т. е. вони потенциалзависимы. При поступовому зменшенні мембранного потенціалу -50 мВ (наприклад, при дефіциті кисню, дії деяких лікарських речовин) система натрієвих каналів повністю інактивується і клітина стає незбудливою.

Потенціалзалежність активації та інактивації великою мірою обумовлена ​​концентрацією іонів кальцію. У разі підвищення концентрації кальцію значення порогового потенціалу збільшується, при зниженні - зменшується і наближається до потенціалу спокою. При цьому в першому випадку збудливість зменшується, у другому збільшується.

У звичайних умовах затриманий вихід калій струм існує деякий час після генерації потенціалу дії і це забезпечує гіперполяризацію клітинної мембрани, тобто позитивний слідовий потенціал. Позитивний слідовий потенціал може виникати і як наслідок роботи натрієво-електрогенного насоса.

Інактивація натрієвої системи в процесі генерації потенціалу дії призводить до того, що клітина в цей період не може бути збуджена, тобто спостерігається стан абсолютної рефрактерності.

Поступове відновлення потенціалу спокою в процесі реполяризації дає можливість викликати повторний потенціал дії, але для цього потрібний надпоріговий стимул, оскільки клітина перебуває у стані відносної рефрактерності.

Дослідження збудливості клітини під час локальної відповіді або під час негативного слідового потенціалу показало, що генерація потенціалу дії можлива при дії стимулу нижче за порогове значення. Це стан супернормальності, чи екзальтації.

В умовах спокою різниця між зовнішньою поверхнею мембрани та цитоплазмою існує постійно. Якщо попередньо витягти цитоплазму клітини і всередину клітини ввести розчин, з підвищеним вмістом іонів натрію, то величина потенціалу різко зміниться. Тому вирішальне значення у виникненні потенціалу спокою мають іони калію та натрію. Усі електроліти мають гідратну оболонку, але гідратна оболонка для іонів калію менша, ніж натрію. Тому іони натрію що неспроможні проходити спокої через мембрану. В освіті мембранного потенціалу крім цих іонів, беруть участь іони хлору, розташовані під мембраною, та іони кальцію. Вирішальним чинником виникнення заряду є наявність білкових молекул.

Основною властивістю будь-якої тканини є дратівливість, тобто здатність тканини змінювати свої фізіологічні властивості та виявляти функціональні відправлення у відповідь на дію подразників.

Подразники – це чинники зовнішнього чи внутрішнього середовища, які діють збудливі структури.

Розрізняють дві групи подразників:

1) природні (нервові імпульси, що виникають у нервових клітинах та різних рецепторах);

2) штучні: фізичні (механічні – удар, укол; температурні – тепло, холод; електричний струм – змінний або постійний), хімічні (кислоти, основи, ефіри тощо), фізико-хімічні (осмотичні – кристал хлориду натрію) .

Класифікація подразників за біологічним принципом:

1) адекватні, які за мінімальних енергетичних витрат викликають збудження тканини в природних умовах існування організму;

2) неадекватні, які викликають у тканинах збудження при достатній силі та тривалому впливі.

До загальних фізіологічних властивостей тканин відносяться:

1) збудливість– здатність живої тканини відповідати на дію досить сильного, швидкого та довготривалого подразника зміною фізіологічних властивостей та виникненням процесу збудження.

Мірою збудливості є поріг подразнення. Поріг роздратування– це та мінімальна сила подразника, яка вперше викликає видимі реакції у відповідь. Оскільки поріг подразнення характеризує і збудливість, може бути названий і порогом збудливості. Роздратування меншої інтенсивності, що не викликає реакції у відповідь, називають підпороговим;

2) провідність– здатність тканини передавати збудження, що виникло, за рахунок електричного сигналу від місця подразнення по довжині збудливої ​​тканини;

3) рефрактерність- тимчасове зниження збудливості одночасно з збудженням, що виникло в тканині. Рефрактерність буває абсолютною (немає відповіді ні на який подразник) та відносною (збудливість відновлюється, і тканина відповідає на підпорогові або надпорогові подразники);

4) лабільність- Здатність збудливої ​​тканини реагувати на подразнення з певною швидкістю. Лабільність характеризується максимальним числом хвиль збудження, що виникають у тканині в одиницю часу (1 с) в точній відповідності до ритму подразнень без явища трансформації.

2. Закони подразнення збудливих тканин

Закони встановлюють залежність реакції реакції тканини від параметрів подразника. Ця залежність й у високо організованих тканин. Існують три закони роздратування збудливих тканин:

1) закон сили роздратування;

2) закон тривалості роздратування;

3) закон градієнта роздратування.

Закон сили роздратуваннявстановлює залежність реакції у відповідь від сили подразника. Ця залежність неоднакова окремих клітин і цілої тканини. Для одиночних клітин залежність називається «усі чи нічого». Характер реакції у відповідь залежить від достатньої порогової величини подразника. При вплив підпороговій величиною подразнення реакції не виникатиме (нічого). При досягненні подразнення порогової величини виникає реакція у відповідь, вона буде однакова при дії порогової і будь-який надпороговий величини подразника (частина закону - все).

Для сукупності клітин (для тканини) ця залежність інша, реакція у відповідь тканини прямо пропорційна до певної межі силі наноситься подразнення. Збільшення реакції у відповідь пов'язано з тим, що збільшується кількість структур, що залучаються в реакцію у відповідь.

Закон тривалості подразнень. Реакція у відповідь тканини залежить від тривалості подразнення, але здійснюється в певних межах і носить прямо пропорційний характер. Існує залежність між силою роздратування та часом його дії. Ця залежність виявляється у вигляді кривої сили та часу. Ця крива називається кривою Гоорвега-Вейса-Лапіка. Крива показує, що яким би сильним не був би подразник, він повинен діяти певний період часу. Якщо тимчасовий відрізок невеликий, то реакція у відповідь не виникає. Якщо подразник слабкий, то як довго він не діяв, реакція у відповідь не виникає. Сила подразника поступово збільшується, і в певний момент виникає реакція у відповідь тканини. Ця сила досягає порогової величини і називається реобазою (мінімальною силою подразнення, яка викликає первинну реакцію у відповідь). Час, протягом якого діє струм, що дорівнює реобазі, називається корисним часом.

Закон градієнта роздратування. Градієнт- Це крутість наростання роздратування. Реакція у відповідь тканини залежить до певної межі від градієнта подразнення. При сильному подразнику приблизно втретє нанесення роздратування реакція у відповідь виникає швидше, так як вона має сильніший градієнт. Якщо поступово збільшувати поріг подразнення, то тканини виникає явище акомодації. Акомодація - це пристосування тканини до подразника, що повільно наростає за силою. Це пов'язане зі швидким розвитком інактивації Na-каналів. Поступово відбувається збільшення порога подразнення, і подразник завжди залишається подпороговим, т. е. поріг подразнення збільшується.

Закони подразнення збудливих тканин пояснюють залежність реакції у відповідь від параметрів подразника і забезпечують адаптацію організмів до факторів зовнішнього і внутрішнього середовища.

3. Поняття про стан спокою та активність збудливих тканин

Про стан спокоюу збудливих тканинах говорять у тому випадку, коли на тканину не діє подразник із зовнішнього чи внутрішнього середовища. У цьому спостерігається щодо постійний рівень метаболізму, немає видимого функціонального відправлення тканини. Стан активності спостерігається в тому випадку, коли на тканину діє подразник, змінюється рівень метаболізму, і спостерігається функціональне відправлення тканини.

Основні форми активного стану збудливої ​​тканини – збудження та гальмування.

Порушення– це активний фізіологічний процес, що виникає у тканини під впливом подразника, у своїй змінюються фізіологічні властивості тканини, і спостерігається функціональне відправлення тканини. Порушення характеризується рядом ознак:

1) специфічними ознаками, характерними для певного виду тканин;

2) неспецифічними ознаками, характерними для всіх видів тканин (змінюються проникність клітинних мембран, співвідношення іонних потоків, заряд клітинної мембрани, виникає потенціал дії, що змінює рівень метаболізму, підвищується споживання кисню та збільшується виділення вуглекислого газу).

За характером електричної відповіді існує дві форми збудження:

1) місцеве, що не поширюється збудження (локальна відповідь). Воно характеризується тим, що:

а) відсутня прихований період збудження;

б) виникає за дії будь-якого подразника, т. е. немає порога роздратування, має градуальний характер;

в) відсутня рефрактерність, тобто в процесі виникнення збудження збудливість тканини зростає;

г) згасає у просторі та поширюється на короткі відстані, тобто характерний декремент;

2) імпульсне збудження, що поширюється. Воно характеризується:

а) наявністю прихованого періоду збудження;

б) наявністю порога роздратування;

в) відсутністю градуального характеру (виникає стрибкоподібно);

г) поширенням без декременту;

д) рефрактерністю (збудливість тканини зменшується).

Гальмування– активний процес, що виникає при дії подразників на тканину, проявляється у придушенні іншого збудження. Отже, функціонального відправлення тканини немає.

Гальмування може розвиватися тільки у формі локальної відповіді.

Виділяють два типи гальмування:

1) первинне, для виникнення якого потрібна наявність спеціальних гальмівних нейронів. Гальмування виникає первинно без попереднього порушення;

2) вторинне, яке не потребує спеціальних гальмівних структур. Воно виникає внаслідок зміни функціональної активності звичайних збудливих структур.

Процеси порушення та гальмування тісно пов'язані між собою, протікають одночасно і є різними проявами єдиного процесу. Вогнища збудження та гальмування рухливі, охоплюють більші або менші області нейронних популяцій і можуть бути більш менш виражені. Порушення неодмінно змінюється гальмуванням, і навпаки, тобто між гальмуванням і збудженням є індукційні відносини.

4. Фізико-хімічні механізми виникнення потенціалу спокою

Мембранний потенціал (або потенціал спокою) – це різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнею мембрани у стані відносного фізіологічного спокою. Потенціал спокою виникає внаслідок двох причин:

1) неоднакового розподілу іонів з обох боків мембрани. Усередині клітини знаходиться найбільше іонів К, зовні мало. Іонів Na та іонів Cl більше зовні, ніж усередині. Такий розподіл іонів називається іонною асиметрією;

2) вибіркову проникність мембрани для іонів. У стані спокою мембрана неоднаково проникна для різних іонів. Клітинна мембрана проникна для іонів K, малопроникна для іонів Na і непроникна для органічних речовин.

За рахунок цих двох факторів створюються умови для руху іонів. Цей рух здійснюється без витрат енергії шляхом пасивного транспорту – дифузією внаслідок різниці концентрації іонів. Іони K виходять із клітини та збільшують позитивний заряд на зовнішній поверхні мембрани, іони Cl пасивно переходять усередину клітини, що призводить до збільшення позитивного заряду на зовнішній поверхні клітини. Іони Na ​​накопичуються на зовнішній поверхні мембрани та збільшують її позитивний заряд. Органічні сполуки залишаються усередині клітини. Внаслідок такого руху зовнішня поверхня мембрани заряджається позитивно, а внутрішня – негативно. Внутрішня поверхня мембрани може бути абсолютно негативно зарядженої, але завжди заряджена негативно стосовно зовнішньої. Такий стан клітинної мембрани називається станом поляризації. Рух іонів триває до того часу, доки врівноважиться різницю потенціалів на мембрані, т. е. не настане електрохімічне рівновагу. Момент рівноваги залежить від двох сил:

1) сили дифузії;

2) сили електростатичної взаємодії.

Значення електрохімічної рівноваги:

1) підтримка іонної асиметрії;

2) підтримання величини мембранного потенціалу постійному рівні.

У виникненні мембранного потенціалу беруть участь сила дифузії (різниця концентрації іонів) та сила електростатичної взаємодії, тому мембранний потенціал називається концентраційно-електрохімічним.

Для підтримки іонної асиметрії електрохімічної рівноваги недостатньо. У клітці є інший механізм – натрій-калієвий насос. Натрій-калієвий насос – механізм забезпечення активного транспортування іонів. У клітинній мембрані є система переносників, кожен з яких пов'язує три іони Na, які знаходяться всередині клітини, і виводить їх назовні. З зовнішнього боку переносник зв'язується з двома іонами K, що знаходяться поза клітиною, і переносить їх у цитоплазму. Енергія береться під час розщеплення АТФ. Робота натрій-калієвого насоса забезпечує:

1) високу концентрацію іонів До всередині клітини, тобто постійну величину потенціалу спокою;

2) низьку концентрацію іонів Na всередині клітини, тобто зберігає нормальну осмолярність та об'єм клітини, створює базу для генерації потенціалу дії;

3) стабільний концетраційний градієнт іонів Na, сприяючи транспорту амінокислот та цукрів.

5. Фізико-хімічні механізми виникнення потенціалу дії

Потенціал дії- це зсув мембранного потенціалу, що виникає в тканині при дії порогового та надпорогового подразника, що супроводжується перезарядженням клітинної мембрани.

При дії порогового або надпорогового подразника змінюється проникність клітинної мембрани для іонів різною мірою. Для іонів Na вона підвищується в 400-500 разів, і градієнт наростає швидко, для іонів К - в 10-15 разів, і градієнт розвивається повільно. В результаті рух іонів Na відбувається всередину клітини, іони К рухаються з клітини, що призводить до перезарядки клітинної мембрани. Зовнішня поверхня мембрани має негативний заряд, внутрішня – позитивний.

Компоненти потенціалу дії:

1) локальна відповідь;

2) високовольтний піковий потенціал (спайк);

3) слідові коливання:

а) негативний слідовий потенціал;

б) позитивний слідовий потенціал.

Локальна відповідь.

Поки подразник не досяг на початковому етапі 50-75% від величини порога, проникність клітинної мембрани залишається незмінною, і електричний зсув мембранного потенціалу пояснюється дратівливим агентом. Досягши рівня 50-75%, відкриваються активаційні ворота (m-ворота) Na-каналів, і виникає локальна відповідь.

Іони Na ​​шляхом простої дифузії надходять у клітину без витрат енергії. Досягши граничної сили, мембранний потенціал знижується до критичного рівня деполяризації (приблизно 50 мВ). Критичний рівень деполяризації - це кількість мілівольт, на яку повинен знизитися мембранний потенціал, щоб виник лавиноподібний хід іонів Na в клітину. Якщо сила роздратування недостатня, локальної відповіді немає.

Високовольтний піковий потенціал (спайк).

Пік потенціалу дії є незмінним компонентом потенціалу дії. Він складається з двох фаз:

1) висхідної частини – фази деполяризації;

2) низхідній частині - фази реполяризації.

Лавиноподібне надходження іонів Na в клітину призводить до зміни потенціалу клітинної мембрани. Чим більше іонів Na увійде в клітину, тим більше деполяризується мембрана, тим більше відкриється активаційних воріт. Поступово заряд із мембрани знімається, а потім виникає з протилежним знаком. Виникнення заряду із протилежним знаком називається інверсією потенціалу мембрани. Рух іонів Na всередину клітини триває до моменту електрохімічної рівноваги по іону Na. Амплітуда потенціалу дії не залежить від сили подразника, вона залежить від концентрації іонів Na та від ступеня проникності мембрани до іонів Na. Східна фаза (фаза реполяризації) повертає заряд мембрани до вихідного знаку. При досягненні електрохімічної рівноваги іонами Na відбувається інактивація активаційних воріт, знижується проникність до іонів Na і зростає проникність до іонів K, натрій-калієвий насос вступає в дію і відновлює заряд клітинної мембрани. Повного відновлення мембранного потенціалу немає.

У процесі відновлювальних реакцій клітинної мембрані реєструються слідові потенціали – позитивний і негативний. Слідові потенціали є незмінними компонентами потенціалу дії. Негативний слідовий потенціал – слідова деполяризація внаслідок підвищеної проникності мембрани до іонів Na, що гальмує процес реполяризації. Позитивний слідовий потенціал виникає при гіперполяризації клітинної мембрани у процесі відновлення клітинного заряду за рахунок виходу іонів калію та роботи натрій-калієвого насоса.

Біологічні реакції. Живі організми та їх клітини мають дратівливістю, тобто. здатністю відповідати на впливи зовнішнього середовища або порушення їх стану зміною своєї структури чи функції, що нерозривно пов'язане з кількісними та якісними змінами обміну речовин та енергії. Зміни структури та функцій організму та його клітин у відповідь на різні впливи називають біологічними реакціями, а самі впливи, що їх викликають - подразниками, чи стимулами.

Поняття біологічної реакції включає всі види діяльності організму, його клітин і органів на різні впливи. Реакції клітин проявляються у зміні їх форми, структури, їх росту та процесу поділу, в освіті в них різних хімічних сполук, перетворенні потенційної енергії в кінетичну (електричну, механічну, теплову, світлову), виконанні тієї чи іншої роботи (переміщення у просторі, виділення тих чи інших речовин, роботі з концентрування у клітині певних електролітів тощо). Ще різноманітні реакції цілісного організму, особливо - складні форми поведінки. У процесі здійснення змінюється діяльність багатьох органів прокуратури та незліченної безлічі клітин, бо організм завжди реагує різні впливи як єдине ціле, як єдина складна система.

Подразники. Подразником живої клітини або організму як цілого може виявитися будь-яка зміна зовнішнього середовища або внутрішнього стану організму, якщо вона досить велика, виникла досить швидко, і продовжується досить довго.

Все нескінченне різноманіття можливих подразників можна розділити на 3 групи: фізичні, фізико-хімічні та хімічні. До фізичних подразників належать температурні, механічні (удар, укол, тиск, переміщення, прискорення тощо), електричні, світлові. Фізико-хімічні подразники представлені змінами осмотичного тиску, активної реакції середовища, електролітного складу, колоїдального стану. До хімічних подразників належить безліч речовин, що мають різний склад і властивості, і здатних змінити обмін речовин клітин (речовини їжі, ліки, отрути, гормони, ферменти, метаболіти і т.п.).

Подразниками клітин, що викликають їхню діяльність, що мають особливо важливе значення в життєвих процесах, є нервові імпульси. Будучи природними, тобто. що виникають у самому організмі, електрохімічними подразниками клітин, нервові імпульси, надходячи по нервових волокнах від нервових закінчень у ЦНС чи приходячи від неї до периферичних органів, викликають спрямовані зміни їх стану та діяльності.

Усі подразники за місцем виникнення ділять на зовнішні (екстеро-) та внутрішні (інтеро-) подразники, а за фізіологічним значенням – на адекватні та неадекватні. Адекватними називають ті подразники, які діють на цю біологічну структуру в природних умовах, до сприйняття яких вона спеціально пристосована еволюцією та чутливість до яких у неї зазвичай надзвичайно велика (око – світло, вухо – звук тощо). Неадекватними називаються ті подразники, для сприйняття яких дана клітина або орган спеціально не пристосований, але які в певних умовах можуть викликати зміни структури або функції (м'яз - може скоротитися при ударі, швидкому зігріванні, дії електроструму, раптовому розтягуванні, дії кислоти тощо) .).

Збудливість.Клітини нервової, м'язової та залізистої тканин спеціально пристосовані до здійснення швидких реакцій на подразнення (збуджуватись). Клітини цих тканин називають збудливими, які здатність відповідати різні роздратування збудженням - збудливістю. Збудливість- це властивість клітинної мембрани відповідати на дію дратівливого (збудливого) фактора зміною проникності та свого електричного стану. Це і називається збудження. Порушення є складною біологічною реакцією, що проявляється в сукупності фізичних, фізико-хімічних і функціональних змін. Обов'язковою ознакою збудження є зміна електричного стану поверхневої клітинної мембрани, (зміна її мембранного потенціалу, МП, і генерація потенціалу дії, що поширюється, ПД). Виникнувши в одній клітині або в одній її ділянці, збудження поширюється інші ділянки тієї ж клітини або інші клітини.

Відповідь живої клітини на подразнення у формі збудження і пов'язаної з ним електричної реакції, або у формі скорочення або секреції, відбувається завжди після деякого прихованого, або латентного періоду. Так називають період часу між початком дії подразника та реакцією тканини на його дію. Протягом латентного періоду мають відбутися зміни стану тканини, необхідні для того, щоб виявилася реакція. Латентний період збудливих тканин коротше, ніж у незбудливих, а латентний період електричної реакції тканини коротше, ніж скорочення м'язового і тим більше секреторної реакції.

Історія відкриття електричних явищ у тканинах.

У 1786 р. італійський лікар і фізіолог Гальвані, розвісивши для просушки жаб'ячі лапки на балконі помітив, що коли лапка, що розгойдується вітром, стикається з металевими гратами балкона, то виникає її скорочення. Гальвані зробив висновок, що якщо між нервом і м'язом встановлюється замикання за допомогою металевого провідника, і при цьому м'яз скорочується, то це є доказом прояву "тваринної електрики". Він вважав, що нерв та м'яз заряджені протилежно.

Однак, фізик Вольта показав помилковість виведення Гальвані шляхом проведення такого досвіду: він помітив, що балконні перила були мідні, а гачки, на яких висіли лапки - залізні. Спробувавши прикласти до лапки пінцет, одна ніжка якого була зроблена з міді, а інша з цинку або заліза, Вольта отримав скорочення м'яза. Отже, уклав він, м'язи скорочуються не тому, що виділяється "тваринна електрика", а тому, що між двома металами, що торкаються електроліту, тече струм, який і дратує нерви лапки жаби.

Не погоджуючись із Вольта, Гальвані поставив другий досвід. Він полягав у без металевому скороченні м'яза. Скорочення досягалося шляхом накидання нерва на відпрепарований м'яз за допомогою скляних інструментів. Однак виявилося, що скорочення вдавалося отримати тільки тоді, коли м'яз був пошкоджений, а якщо м'яз був репрепарований ретельно, без пошкодження її поверхні, то при такому досвіді скорочення не виникало. Пізніше німецький фізіолог Герман показав, що якщо до неушкодженого м'яза докласти електроди гальванометра, то жодної різниці потенціалів побачити не вдається. Але якщо на м'яз або нерв завдати пошкодження, надрізу, і занурити в цей надріз один з електродів, то стрілка гальванометра відхиляється, що показує, що між пошкодженими і неушкодженими ділянками живого м'яза виникає електричний струм, причому пошкоджена ділянка несе негативний заряд. Цей струм був названий струмом ушкодження, або струмом спокою .

У 1837 р. Маттеучі показав, що струм спокою скелетного м'яза при її скороченні зменшується. Маттеучі зробив і ще один досвід. Він брав два нервово-м'язові препарати і нерв 2-го накидав на м'яз 1-го. При цьому він дратував нерв одного препарату, змушуючи м'яз скорочуватися. Виявилося, що й другий м'яз при цьому починав скорочуватися. Пояснити це впливом на нерв струму спокою не можна, оскільки скорочення другого м'яза відбувалося лише за порушення першої. Ще демонстративніший цей досвід, якщо замість першого м'яза взяти працююче серце жаби. При накиданні скляним гачком нерва нервово-м'язового препарату на серці жаби м'яз лапки починає скорочуватися в ритмі працюючого серця. Причину цього явища було виявлено пізніше.

У 1850 р. знаменитий французький дослідник Дюбуа-Реймон, дратуючи сідничний нерв жаби, виявив, що за роздратуванням по нерву пробігає хвиля електричного струму. У 1868 р. Герман показав, що причина цього в тому, що електричний струм, що виникає при подразненні, досягає сусідньої ділянки, збуджує її, потім досягає наступної ділянки і шляхом таких контактів хвиля збудження біжить по нерву, як вогонь по бікфордовому шнуру.

Якщо дратувати одиночними ударами постійного струму ділянку нерва, а від наступної ділянки відводити двома електродами струм на гальванометр або трубку катодного осцилографа, то спочатку, в момент нанесення роздратування, ніяких відхилень не реєструється. оскільки під обома електродами, що відводять, однаковий потенціал. Через деякий час, поширюючись. збудження досягає першого електрода, що відводить, і тоді гальванометр реєструє різницю потенціалів у вигляді негативного коливання - стрілка відхиляється вліво (на осцилографі - вниз). Коли хвиля збудження виявляється між електродами, стрілка повертається у вихідне положення. Потім хвиля збудження досягає другого електрода - стрілка відхиляється праворуч (промінь вгору). Коли хвиля збудження йде далі, промінь осцилографа і стрілка гальванометра повертаються у вихідне положення.

З цих фактів можна зробити такі висновки:

1. У спокої різниця потенціалів існує лише між непошкодженим і пошкодженим ділянками тканини (струм ушкодження, або струм спокою).

2. При проходженні збудження нервом у ньому виникає струм дії.

3. Цей струм дії залишається на місці, а поширюється.

4. Струм дії є негативним коливанням потенціалу.

Більш точне вивчення механізмів електричних змін у тканинах у спокої та при збудженні стало можливим з прогресом електровимірювальної та мікроелектродної техніки. Переходимо тепер до розгляду сучасних даних про електричні процеси у тканинах.

Потенціал спокою. Виявилося, що між зовнішньою поверхнею клітини та її протоплазмою у стані спокою існує різниця потенціалів близько 60-90 мВ, причому поверхню клітини заряджена електропозитивно по відношенню до протоплазми. Ця різниця потенціалу називається мембранним потенціалом, чи потенціалом спокою. Точне його вимірювання можливе лише за допомогою внутрішньоклітинних мікроелектродів.

Згідно з мембранно-іонною теорією Ходжкіна-Хакслі, біоелектричні потенціали обумовлені неоднаковою концентрацією іонів K+,Na+,Cl- всередині і поза клітиною, і різною проникністю для них поверхневої мембрани.

На підставі даних електронної мікроскопії, хімічного аналізу та електрофізіологічних досліджень припускають, що мембрана складається з подвійного шару молекул фосфоліпідів, покритого зсередини шаром білкових молекул, а зовні - шаром білкових молекул і мукополісахаридів. Припускають, що у клітинній мембрані є найтонші канали (пори) діаметром кілька ангстрем. Через ці канали молекули води та інших речовин, а також іони, що мають відповідний розміру пор діаметр, входять у клітину та залишають її. На структурних елементах мембрани фіксуються різні заряджені групи, що надає стінкам каналів той чи інший заряд. Так, наявність у мембрані нервових волокон дисоційованих фосфатних та карбоксильних груп є причиною того, що вона (мембрана) значно менш проникна для аніонів, ніж для катіонів.

Проникність мембрани для різних катіонів також неоднакова і закономірно змінюється за різних функціональних станів тканини. У спокої мембрана нервових волокон приблизно 25 разів більш проникна для іонів До, ніж іонів Na, а при збудженні натрієва проникність приблизно 20 разів перевищує калієву.

Крім проникності, велике значення виникнення мембранного потенціалу має градієнт концентрації іонів з обох боків мембрани. Показано, що цитоплазма нервових та м'язових клітин містить у 30-59 разів більше іонів К+ (500 мекв/л проти 10 мекв/л), але у 8-10 разів менше іонів Na+ (35 мекв/л проти 350 мекв/л) і в 50 разів менше іонів Cl- ніж позаклітинна рідина (див. табл.). Величина потенціалу спокою нервових волокон і клітин визначається співвідношенням позитивно заряджених іонів К+, що дифундують в одиницю часу з клітини назовні за градієнтом концентрації, і позитивно заряджених іонів Na+, що дифундують за градієнтом концентрації у зворотному напрямку. Так, у модельних дослідах на аксоні кальмара при тому градієнті концентрації К+, який має місце в нервовому волокні, величина струму К+ становить -120 мВ. Якщо змоделювати в такому досвіді тільки натрієвий градієнт, то величина струму Na + становить +30 мв. Реально вимірюваний мембранний потенціал нерва дорівнює сумі двох протилежно спрямованих струмів, тобто. -90мв.

Незважаючи на те, що швидкість дифузії іонів Na+ і К+ через мембрану в спокої мала, різниця їх концентрації поза клітиною і всередині неї мала б зрештою повністю вирівнятися, якби в клітці не існувало спеціального механізму, який забезпечує активне виділення (" викачування") з протоплазми іонів Na+, що проникають до неї, і введення ("нагнітання") іонів К+. Цей механізм отримав образну назву натрію калієвого насоса.

Для того, щоб зберігалася іонна асиметрія, Na-К-насос повинен виконувати певну роботу проти концентрації градієнта іонів. Безпосереднім джерелом енергії для роботи насоса є розщеплення АТФ, яке відбувається під впливом АТФ-ази, локалізованої в мембрані та активованої іонами Na+ та К+ (т.зв. Na-К-залежна АТФ-аза). Гальмування активності цього ферменту призводить до порушення роботи насоса. В результаті протоплазма збагачується Na+ і втрачає К+. Прямим наслідком є ​​зниження або навіть повне зникнення МП (потенціала спокою, або мембранного потенціалу).

Деполяризація мембрани виникає тому, що в силу градієнта концентрації К+ виходить назовні, але через те, що іони CL-, які не в змозі пройти через мембрану, електростатично утримують позитивні іони, у прикордонному шарі створюється надлишок К+, і між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани, зарядженими відповідно позитивно та негативно, виникає різниця потенціалів величиною близько -90 мв. Мембрана у спокої постійно деполяризована, тому що в результаті роботи Na-K-насоса підтримується необхідний градієнт концентрації іонів.

Потенціал дії. Якщо ділянка нервового або м'язового волокна піддати дії досить сильного подразника (наприклад, поштовх електричного струму), у цій ділянці виникає збудження, одним з найбільш важливих проявів якого служить швидке коливання МП, що називається потенціалом дії (ПД)

При внутрішньоклітинному відведенні можна виявити, що поверхня збудженої ділянки на дуже короткий інтервал, що вимірюється тисячними частками секунди, стає зарядженим електро-негативно по відношенню до сусідньої ділянки, що лежить, тобто. при збудженні відбувається т.зв. "перезаряджання мембрани". Точні виміри показали, що амплітуда ПД на 30-50 мв перевищує величину МП. Причина цього полягає в тому, що при збудженні відбувається не просто зникнення ПП, а виникає різниця потенціалів зворотного знака, внаслідок чого зовнішня поверхня мембрани стає зарядженою негативно по відношенню до її внутрішньої сторони.

У ПД прийнято розрізняти його пік (т.зв. спайк – spike) та слідові потенціали. Пік ПД має висхідну та низхідну фази. Перед висхідною фазою реєструється більш менш виражений т.зв. місцевий потенціал, або локальна відповідь. Оскільки під час висхідної фази зникає вихідна поляризація мембрани, її називають фазою деполяризації; відповідно низхідну фазу, протягом якої поляризація мембрани повертається до вихідного рівня, називається фазою реполяризації. Тривалість піку ПД у нервових та скелетних м'язових волокнах варіює в межах 0,4-5,0 мсек. При цьому фаза реполяризації завжди триваліша.

Крім піку, в ПД розрізняють два слідові потенціали - слідову деполяризацію (слідовий негативний потенціал) і слідову гіперполяризацію (слідовий позитивний потенціал. Амплітуда цих потенціалів не перевищує кількох мілівольт, а тривалість варіює від декількох десятків до сотень мілісекунд. Слідові потенціали пов'язані з відновними процесами, що розвиваються в м'язах та нерві після закінчення збудження.

Причиною виникнення ПД є зміна іонної проникності мембрани. У стані спокою, як говорилося, проникність мембрани для К+ перевищує натрієву проникність. Внаслідок цього потік позитивно заряджених іонів із протоплазми назовні перевищує протилежний потік Na+. Тому мембрана у спокої зовні заряджена позитивно.

При дії на клітину подразника проникність мембрани для іонів Na+ різко підвищується, і в кінцевому підсумку стає приблизно в 20 разів більше проникності для К+. Тому потік іонів Na+ в клітину починає значно перевищувати спрямований назовні потік К+. Струм Na+ досягає величини +150 мв. Одночасно дещо зменшується вихід К+ із клітини. Все це призводить до збочення (реверсії) МП, і зовнішня поверхня мембрани стає зарядженою електро негативно по відношенню до внутрішньої поверхні. Зазначений зсув і реєструється у вигляді висхідної гілки піку ПД (фаза деполяризації).

Підвищення проникності мембрани для іонів Na+ продовжується в нервових клітинах дуже короткий час. Пов'язано воно із короткочасним відкриттям т.зв. Na+-каналів (точніше, заслінок М цих каналах), яке потім змінюється терміновим закриттям Na+-пор за допомогою т.зв. Н-воріт. Цей процес називається натрієвою інактивацією. В результаті потік Na в клітину припиняється.

Наявність спеціальних Na- і К-каналів та складного механізму замикання та відкриття воріт вивчено біофізиками досить добре. Показано, що існують вибіркові механізми, що регулюють ті чи інші канали. Наприклад, отрута тетродотоксин блокує тільки Na-пори, а тетраетиламмоній - тільки К-пори. Показано, що в деяких клітин виникнення збудження пов'язане зміною проникності мембрани для Са++, в інших - для Mg+. Дослідження механізмів зміни проникності мембран продовжуються.

В результаті Na-інактивації та одночасного збільшення К-проникності відбувається посилений вихід позитивних іонів К+ з протоплазми у зовнішній розчин. У результаті цих двох процесів відбувається відновлення поляризованого стану мембрани (реполяризація), і зовнішня її поверхня знову набуває позитивного заряду. Надалі відбуваються процеси відновлення нормального іонного складу клітини та необхідного градієнта концентрації іонів за рахунок активізації діяльності Na-К-насоса.

Таким чином, у живій клітині існують два різні типи руху іонів через мембрану. Один із них здійснюється за градієнтом концентрації іонів і не вимагає витрати енергії, тому його називають пасивним транспортом. Він відповідальний виникнення МП і ПД і веде зрештою до вирівнювання концентрацій іонів з обох боків клітинної мембрани. Другий тип руху іонів через мембрану, що здійснюється проти концентраційного градієнта, полягає у "викачуванні" іонів Na+ з протоплазми та "нагнітанні" іонів К+ всередину клітини. Цей тип іонного транспорту може лише за умови витрати енергії - це активний транспорт. Він є результатом роботи спеціальних ферментних систем (т.зв. насосів), і завдяки йому відновлюється вихідна різниця концентрацій, необхідна підтримки МП.

Умови виникнення збудження. Для виникнення ПД необхідно, щоб під впливом будь-якого подразника відбулося підвищення іонної проникності мембрани збудливої ​​клітини. Однак, збудження можливе лише за умови, якщо агент, що діє на мембрану, має деяку мінімальну (порогову) величину, здатну змінити мембранний потенціал (МП, або Ео) до деякого критичного рівня (Ек, критичний рівень деполяризації). Стимули, сила яких нижча від порогової величини, називаються підпороговими, вище - надпороговими. Показано, що гранична сила, необхідна для виникнення збудження при внутрішньоклітинному мікроелектроді дорівнює 10 -7 - 10 -9 А.

Таким чином, головною умовою виникнення ПД є таке: мембранний потенціал повинен стати рівним або меншим за критичний рівень деполяризації (Ео<= Eк)

Причини цього явища стануть зрозумілі пізніше, після з'ясування деяких механізмів дії постійного електроструму на збудливі тканини.

У лабораторних умовах та при проведенні деяких клінічних досліджень для подразнення нервів та м'язів застосовують електричні стимули, які легко дозувати як за амплітудою та тривалістю, так і за формою, імітуючи природні нервові імпульси. Механізм подразнювального впливу струму на тканину в принципі однаковий при всіх видах стимулів, максимально наближається до механізму дії самих нервових імпульсів, проте в найбільш виразній формі ці механізми виявляються при використанні постійного струму.