Электрические процессы в нервных клетках

Основные функции нейрона — генерация, проведение и передача потенциала действия — становятся возможны, так как между его наружной и внутренней средой существует разность концентраций ионов калия (К+), натрия (Na+), кальция (Са2+) и (С1 ). Во внутренней среде больше К+ и меньше Na+, Са2+ и С1

, а в наружной среде наоборот. Такая разность концентраций поддерживается работой ионных белков-насосов, встроенных в цитоплазматическую мембрану. Например, Ыа+-К+-АТФаза (натрий- калиевый насос) постоянно переносит катионы (положительно заряженные частицы) калия внутрь клетки и выносит из клетки катионы Na+ (активный транспорт). В результате концентрация К+ в клетке примерно в 30—40 раз больше, a Na+ — в 10—12 раз меньше, чем в межклеточной жидкости.

В мембране клетки присутствуют также многочисленные белки-каналы, которые могут избирательно пропускать через себя различные ионы. Часть этих белков имеет постоянно открытые каналы, другая часть имеет каналы со створками, открывающими канал только при определенных условиях и таким образом регулирующими ноток ионов через мембрану. Через каналы ионы передвигаются в результате диффузии — передвижения частиц из области с большей концентрацией в область с меньшей. Следовательно, через калиевые каналы К+ выходит из клетки, а через натриевые, кальциевые и хлорные соответствующие ионы в клетку входят. Передвижение ионов через каналы не требует затрат энергии клеткой (пассивный транспорт).

Благодаря неравномерной концентрации ионов мембрана нейрона поляризована, т.е. между внутренней и наружной ее поверхностью существует

разность потенциалов — мембранный потенциал (МП), причем большую часть времени внутренняя поверхность заряжена отрицательно. Увеличение поляризации мембраны называют гиперполяризацией (внутренний отрицательный заряд увеличивается), а уменьшение поляризации — деполяризацией. Отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны характерен для любых клеток организма, и у большинства клеток он сохраняет постоянную величину в течение всей жизни. Но в клетках возбудимых тканей (нервной, мышечной, железистой) его величина может меняться, поэтому в таких клетках МП в состоянии физиологического покоя клетки называется потенциалом покоя (ПП). Средняя его величина для нейрона составляет -70 мВ. ПП генерируется благодаря перераспределению ионов через постоянно открытые калиевые и натриевые каналы. При различных воздействиях на нейрон происходит перераспределение ионов, в результате чего генерируются потенциалы действия (ПД, нервные импульсы), постсинаптические потенциалы, рецепторные потенциалы.

Рассмотрим более подробно, как генерируется ПД. Он представляет собой быстрое колебание мембранного потенциала, сопровождающееся перезарядкой мембраны (рис. 2.17), т.е. внутри она становится заряженной положительно, а снаружи — отрицательно.

Рис. 2.17. Электрические потенциалы нервной клетки:

ПП — потенциал покоя; КУД — критический уровень деполяризации; ПД — потенциал действия; В ПСП — возбуждающий постсинаптический потенциал;

ТИСП — тормозной постсинаптический потенциал

Для генерации ПД необходимы потенциалзависимые Na + - и К + -каналы. Они открываются, если мембрана деполяризуется до пороговой величины, т.е. до такого уровня потенциала, который приводит к генерации ПД. Такую величину называют критическим уровнем деполяризации (КУД). В среднем пороговая деполяризация равна -50 мВ. Первыми и очень быстро открываются Ыа + -каналы, что вызывает стремительный поток катионов натрия в клетку и уменьшение поляризации мембраны. Натрия входит так много, что заряд в клетке становится положительным, достигая значений от +20 до +50 мВ. Когда ПД достигает своего пика, каналы закрываются (инактивируются). Таким образом, вход натрия обеспечивает восходящую фазу 11Д. Калиевые каналы открываются гораздо медленнее натриевых, и выходящий ток калия достигает максимума только после ника ПД, когда натриевые каналы уже закрыты. За счет выхода К + положительный заряд в клетке становится все меньше (реполяризация), и постепенно заряд мембраны достигает уровня IIII. Таким образом, выход калия обеспечивает нисходящую фазу Г1Д.

После генерации ПД начинается распространение его по мембране. Рассмотрим, как происходит этот процесс в безмиелиновом волокне. Когда ПД генерируется, например, в одной из точек аксона, это приводит к входу в волокно больших количеств Na + , диффузии его в соседние участки и деполяризации соседних участков, достигающих порогового уровня. В результате открываются расположенные на этих участках потенциалзависимые Na + - и К + -капалы, что приводит к генерации очередного ПД и т.д. В миелиновых волокнах потенциалзависимые каналы присутствуют только в перехватах Ранвье, в результате чего ПД генерируются только в перехватах, что и увеличивает скорость распространения ПД в этих волокнах. Принципиально важно, что каждый вновь генерируемый IIД имеет одну и ту же амплитуду, т.е. распространяется по волокну без затухания.

Характер ПСП зависит от того, какие ионы будут проходить через каналы. Если на постсинаптической мембране присутствуют Na + - и (или) Са ++ -каналы, то входящие через них положительные ионы сдвинут ПП вверх (деполяризуют мембрану). Потенциал мембраны станет ближе к уровню пороговой деполяризации, т.е. клетка станет относительно более возбудимой. Поэтому такой потенциал называют возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП). Синапсы, в которых генерируются ВПСП, называют возбуждающими. И наоборот, если открываются К + - или СЬ-каналы, то выход К + или вход С1 _ приводят к гиперполяризации (сдвигу потенциала к более отрицательным значениям), что делает клетку относительно заторможенной. Такой потенциал называют тормозным ПСП (ТПСП), и синапсы, в которых генерируются ТПСП, называют тормозными.

Как уже говорилось, на мембране одного нейрона находятся тысячи синапсов. Примерно половина из них — возбуждающие. Для того чтобы постсинаптический нейрон сгенерировал новый ПД и таким образом передал информацию дальше по сети нейронов, нужно, чтобы его мембрана достигла уровня пороговой деполяризации. Но величина одного ВПСП этого уровня не достигает, необходима суммация нескольких ВПСП. При этом надо учитывать, что одновременно с ВПСП в тормозных синапсах генерируются ТПСП. В разные периоды времени более или менее активны или возбуждающие, или тормозные синапсы. И если возбуждающие синапсы более активны и суммарная величина всех возбуждающих и тормозных ностсинаптических потенциалов достигнет порогового уровня, то нейрон сгенерирует новый ПД, и распространение информации продолжится. Если же более активны тормозные синапсы, то нейрон будет находиться в заторможенном состоянии, и генерация им ПД будет возможна только при действии раздражителя большей силы.

Таковы основные закономерности работы любого нейрона как из миллиардов нейронов нашей НС, так и из десятков нейронов простейших НС беспозвоночных животных.

Электрические процессы в организме

Электрические реакции в нервной системе являются в процессе возбуждения основным проявлением. Так как, с помощью анализа электрических реакций изучается деятельность нервной системы, а в нервных клетках и центрах изучается механизмы возбуждения.

Мембранный потенциал характеризуется свойствами мембраны и разницей внутри клетки и за ее пределами, разницей концентраций ионов калия и натрия. Для ионов калия мембрана нервной клетки, более проницаема, она не пропускает анионы, и ионы натрия. Ионы калия способны, из-за разности концентрации, диффундировать изнутри клетки наружу, так ионы калия остаются на внешней поверхности мембраны и положительно ее заряжают. К внутренней поверхности мембраны, сообщая ее отрицательный заряд, притягиваются электростатически анионы. Мембранный потенциал наблюдается в любой живой клетке. Его регистрируют в мышечной, нервной, секреторной и эпителиальной клетках. В зависимости от вида и функциональном состоянии клетки величина мембранного потенциала изменяется.

• Курсовая работа Электрические процессы в организме 410 руб.
• Реферат Электрические процессы в организме 240 руб.
• Контрольная работа Электрические процессы в организме 250 руб.

Потенциал действия – это кратковременное изменение мембранного потенциала, которое происходит при возникновении возбуждения во время раздражения мышечной или нервной клетки. Величина потенциала действия значительно превышает мембранный потенциал на 30—40 мВ и при внутриклеточном отведении достигает 90—120 мВ.

Электрические процессы в нейронах

Внутри нервной клетки находятся органические анионы хлора и катионы натрия и калия. В наружной среде находится меньшее количество катионов калия, и большее количество катионов натрия и анионов хлора. Вследствие, этого катионы калия перемещаются за пределы клетки, что приводит к избытку положительных зарядов наружной поверхности и отрицательных зарядов внешней поверхности клетки. Таким образом, возникает разность потенциалов, обеспечивающий обратный ток калия во внутрь клетки, и устанавливается равновесие. Вместе с калием проходят натрий, кальций и хлор.

С уменьшение мембранного потенциала нарастает возбудимость, с его увеличением – возбудимость снижается.

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Электрические явления в тканях

В тканях любая мембрана имеет определенную величину заряда. Величина заряда формируется положительно заряженными ионами калия и натрия, которые легко проходят по каналам мембраны и отрицательно заряженными ионами гидрокарбоната, ортофосфата, аминокислот и некоторых белков, которые не проходят через транспортные системы мембран. Ионы подходят к внутренней поверхности мембраны электростатически удерживают на наружной поверхности мембраны катионы. Так создается поляризация мембраны.

Методы записей электрических процессов в организме человека

Электроэнцефалограмма – суммация потенциалов действия отдельных нейронов.

Метод электроэнцефалограммы позволяет изучать работу головного мозга, а также диагностирует некоторые нервные заболевания.

Ритмы электроэнцефалограммы:

• Альфа-ритм. Регистрируется в состоянии покоя. Частоту от 8 до 13 колебаний в сек. Амплитуда 50 мкВ;
• Бета-ритм. Регистрируется при нанесение раздражителя. Частота более 13 сек. Амплитуда до 25 мкВ;
• Тета-ритм. Регистрируется во время сна. Частота 4-8 колебаний в секунду. Амплитуда до 150 мкВ;
• Дельта-ритм. Регистрируется во время глубоко сна, или патологических состояний. Частота 0,5-3,5 колебаний в секунду. Амплитуда до 300 мкв.

Электромиаграмма – запись потенциалов действия скелетных мышц, изучает тонус и силу сокращения мышц.

Электрокардиограмма – запись потенциала действия сердца.

Электрогастрограмма – запись электрических процессов в пищеварительных железах.

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

2 Электрические процессы в нейронах

Электрические процессы в нервных клетках включают в себя наличие постоянного потенциала покоя и медленных и быстрых изменений этого потенциала при возбуждении. Потенциал покоя является мемб­ранным потенциалом нервной клетки и обусловлен неравномерным распределением электролитов по обе стороны клеточной мембраны. Внутри нервной клет­ки содержится большое количество органических ани­онов и катионов; в наружной среде катионов К + при­мерно в 40 раз меньше, но высока концентрация ка­тионов Na + , анионов Сl

. Крупные органические ани­оны не проникают через мембрану, а ионы К + , легко проникающие через мембрану, по закону диффузии перемещаются из области более высокой концентрации наружу. Это приводит к избытку положитель­ных зарядов на наружной поверхности и преоблада­нию отрицательных зарядов на внутренней поверхности мембраны. Внутренняя поверхность мембраны заряжается отрицательно по отношению к наружной, при этом возникает электрическая сила, обеспечива­ющая обратное движение части ионов К + внутрь клет­ки, и устанавливается определенное равновесие, при котором суммарный поток ионов через мембрану будет равен нулю. Разность потенциалов между двумя сторонами мембраны при таком равновесии опреде­ляет величину мембранного потенциала. Наряду с по­токами ионов К + , являющихся основными фактора­ми мембранного потенциала, через мембрану нервной клетки в значительно меньшем количестве движутся ионы Nа + , Са ++ , Сl

. Они проходят через двойной липидный слой мембраны по своим специальным для каждого вида ионов каналам, открывание и закрыва­ние которых связано с изменением величины мемб­ранного потенциала.

Для создания разницы ионных концентраций и восполнения потерь ионов в мембране нервной клетки действует система мембранного насоса, осуществляющего активный транспорт ионов против градиента кон­центрации и использующего для этого энергию ней­ронного метаболизма. Наиболее существен натрий-ка­лиевый насос, возвращающий К + внутрь клетки и вы­водящий из нее Nа + . На внутренней стороне мембраныNа + соединяется с молекулой переносчика; образован­ный комплекс ион-переносчик проходит через мемб­рану; на наружной поверхности комплекс распадает­ся, высвобождая ион Nа + и соединяясь с ионом К + , транспортирует его внутрь. Источником энергии для работы насоса служит расщепление АТФ ферментом АТФ-азой, выполняющим функцию переносчика.

Поскольку соотношение количества переносимых насосом Nа + и К 1 неодинаково, то насос не только поддерживает разницу ионных концентраций по обе сто­роны мембраны, но и участвует в формировании по­тенциала покоя, является электрогенным. Таким об­разом, мембранный потенциал создается в результате работы пассивных и активных механизмов, соотно­шение которых у разных нейронов неодинаково. По­этому у различных нейронов величина мембранного потенциала колеблется от —80 до —40 мв, она в значи­тельной степени зависит от особенностей его деятельности и функционального состояния. При уменьшении величины мембранного потенциала покоя (де­поляризации) возбудимость возрастает, при увеличе­нии мембранного потенциала (гиперполяризации) воз­будимость снижается. Возбуждение нервной клетки связано с развитием потенциала действия. Потенци­ал действия, или нервный импульс, представляет со­бой кратковременное, длящееся миллисекунды изменение мембранного потенциала, при котором уменьшается его величина, доходит до нуля и затем потенциал меняет знак. В момент пика потенциала действия мембрана становится заряженной внутри не отрицательно, а положительно (4-50 мв); амплитуда потенциала действия составляет 110-130 мв.

Перезарядка мембраны при возбуждении происходит из-за быстрого и значительного повышения мем­бранной проницаемости для Nа + , вследствие чего боль­шое количество ионов Nа + проникает с наружной на внутреннюю сторону мембраны и создает здесь избы­ток положительных зарядов Восходящая фаза потенциала действия обусловлена избирательным повышением проницаемости мембраны для Nа + . Раскрытие натриевых каналов связано с уменьшением мембранного потенциала и происходит со все возрастающей интенсивностью — лавинообраз­но, так как переход Nа + на внутреннюю поверхность усиливает деполяризацию и приводит к раскрытию новых натриевых каналов. Нисходящая фаза потен­циала действия связана с инактивацией натриевых каналов и повышением проницаемости для К + , так как калиевые каналы раскрываются позже натриевых.

Усиленный поток К + наружу приводит к восстановлению мембранного потенциала до величины по­тенциала покоя. В телах многих нейронов потенци­ал действия связан и с входящим током Са ++ , отли­чающимся большей продолжительностью. Вход Са ++ внутрь клетки во время потенциала действия явля­ется эффективным механизмом повышения внутри­клеточной концентрации свободного Са ++ , который запускает или участвует в работе многих метаболи­ческих процессов. Во время возбуждения значитель­но усиливается работа натрий-калиевого насоса, активируемая повышением концентрации Ма + на внут­ренней поверхности мембраны. Его деятельность спо­собствует восстановлению потенциала покоя. Потен­циал действия обладает порогом, при котором депо­ляризация достигает критического уровня и раскры­ваются все натриевые каналы мембраны. При подпороговых воздействиях раскрывается лишь часть на­триевых каналов, перезарядка мембраны не происходит, возникает местное возбуждение. Вследствие того, что при потенциале действия раскрываются все натриевые каналы, его амплитуда постоянна и не за­висит от силы раздражения; с этим связана и не­восприимчивость к новому раздражению. Потенциалы действия способны быстро и надежно распространяться по мембране тела и аксона нервной клет­ки. Способность к распространению возбуждения свя­зана с тем, что во время потенциала действия проис­ходит изменение знака заряда в возбужденном учас­тке мембраны. Между ним и невозбужденными со­седними участками мембраны возникают локальные электрические токи, под действием которых проис­ходит деполяризация новых соседних участков, что приводит к формированию в них потенциала дей­ствия. Далее развиваются локальные токи между новым участком, охваченным возбуждением, и следующими невозбужденными участками; и так воз­буждение активно распространяется вдоль всей немиелинизированной мембраны. Чем больше диаметр волокна, тем скорость распространения возбуждения

У позвоночных большинство аксонов покрыто миелиновой оболочкой, периодически прерывающейся на перехватах Ранвье. В перехватах существует высокая плотность потенциалзависимых натриевых ка­налов (12 000 на 1 мм 2 ), здесь генерируется потенци­ал действия, а на участках между перехватами воз­можно электротоническое формирование локальных токов, вызывающих потенциал действия лишь на сле­дующем перехвате. Благодаря этому происходит скач­кообразное (сальтаторное) распространение потенци­ала действия со значительно большей скоростью, чем по немиелинизированной мембране. Разновидность активного проведения возбуждения выявлена и на определенных участках дендритов некоторых нейронов.

Физиолог Вячеслав Дубынин о свойствах нейронов, потенциалах действия и цитоплазме нервных клеток

Можно сравнить потенциалы действия с двоичным кодом компьютера. В компьютере, как известно, вся информация кодируется последовательностью нулей и единиц. Потенциалы действия — это, по сути, единички, которые кодируют все наши мысли, чувства, сенсорные переживания, движения и так далее. Подключившись к правильному месту нейросети и подавая на нервные клетки подобного рода электрические импульсы, мы можем заставить человека почувствовать, например, положительные или отрицательные эмоции, или вызвать какие-то сенсорные иллюзии, или управлять работой внутренних органов. Это, конечно, очень перспективный раздел современной нейрофизиологии и нейромедицины.

Для того чтобы управлять потенциалами действия, нужно понимать, откуда они берутся. В принципе, потенциалы действия можно сравнить с ситуацией, когда вы с помощью электрического фонарика подаете сигналы своему товарищу на другом берегу реки. То есть вы нажимаете на кнопку, фонарик вспыхивает, и дальше каким-то секретным кодом вы что-то передаете. Для того чтобы ваш фонарик работал, внутри нужна батарейка, то есть некий заряд энергии. Нервные клетки, для того чтобы генерировать потенциал действия, должны тоже обладать таким зарядом энергии, и этот заряд называется потенциал покоя. Он существует, он присущ всем нервным клеткам и составляет примерно -70 мВ, то есть -0,07 В.

Изучение электрических свойств нейронов началось достаточно давно. То, что в живых организмах присутствует электричество, поняли еще в эпоху Возрождения, когда заметили, что лягушачья лапка подергивается от ударов током, когда поняли, что электрический скат излучает потоки энергии. Дальше был поиск тех технических приемов, которые позволили бы уже всерьез подойти к нервным клеткам и посмотреть, какие электрические процессы там происходят. Здесь мы должны поблагодарить кальмара, потому что кальмар — это такое замечательное животное, которое обладает очень толстыми аксонами. Это связано с особенностями его образа жизни: у него существует складка-мантия, которая сокращается и выбрасывает воду, возникает реактивный импульс, и кальмар движется вперед. Для того чтобы много мышц мантии сокращались энергично и одновременно, нужен мощный аксон, который сразу бы на всю эту мышечную массу передавал импульсы. Аксон имеет толщину 1–1,5 мм. Еще в середине XX века научились его выделять, вставлять внутрь тонкие электрические проволочки, измерять и регистрировать те электрические процессы, которые происходят. Тогда стало уже понятно, что существует потенциал покоя и потенциал действия.

Принципиальный рывок произошел в тот момент, когда изобрели стеклянные микроэлектроды, то есть научились делать очень тонкие стеклянные трубочки, которые внутри заполнены раствором соли, скажем KCl. Если такую трубочку очень аккуратно (это надо, конечно, делать под микроскопом) подвести к нервной клетке и проколоть мембрану нейрона, то нейрон, немного повозмущавшись, продолжает нормально работать, и вы видите, какой у него внутри заряд и как этот заряд меняется, когда происходит передача информации. Стеклянные микроэлектроды — это базовая технология, которая используется и сейчас.

Ближе к концу XX века появился еще один способ, он называется patch-clamp, когда стеклянный микроэлектрод не протыкает мембрану, а очень аккуратно к ней подводится, кусочек мембраны присасывается, при этом очень небольшая площадь мембраны клетки подвергается анализу, и можно смотреть, как работают, например, отдельные белковые молекулы, такие как различные ионные каналы.

Использование всех этих технологий позволило для начала понять, откуда берется потенциал покоя, откуда берется заряд внутри нервных клеток. Оказалось, что потенциал покоя связан прежде всего с накоплением ионов калия. Электрические процессы в живых организмах отличаются от тех электрических процессов, которые происходят в компьютере, потому что физическое электричество — это в основном движение электронов, а в живых системах — движение ионов, то есть заряженных частиц, прежде всего ионов натрия, калия, хлора, кальция. Эта четверка в основном обеспечивает разные электрические явления в нашем организме: и в нервной системе, и в мышцах, и в сердце — это очень важный раздел современной физиологии.

Когда стали анализировать состав цитоплазмы нервных клеток, то оказалось, что в цитоплазме нейронов по сравнению с внешней средой много калия и мало натрия. Эта разница возникает за счет работы особой белковой молекулы — натрий-калиевого насоса (или натрий-калиевой АТФазы). Надо сказать, что натрий-калиевый насос находится на мембранах всех клеток, потому что живые клетки так устроены, что им необходим избыток калия внутри цитоплазмы, например, для того, чтобы нормально работали многие белки. Клетки обменивают внутриклеточный натрий на внеклеточный калий, закачивают калий, удаляют из цитоплазмы натрий, но при этом пока заряд не меняется, потому что обмен более-менее эквивалентен. У обычной клетки, не нервной, внутри избыток калия, но никакого заряда нет: сколько положительно заряженных частичек, столько и отрицательно заряженных; есть, например, калий, хлор или анионы различных органических кислот.

Когда стали изучать, откуда берется потенциал действия, то заметили, что для пробуждения клетки, чтобы она сгенерировала импульс, нужно стимулировать ее довольно определенной силой. Стимул, как правило, должен поднять заряд внутри нервной клетки до уровня примерно -50 мВ, то есть потенциал покоя — -70 мВ, а так называемый порог запуска потенциала действия — где-то -50 мВ. Если поднять заряд до такого уровня, нейрон как будто просыпается: вдруг в нем возникает очень большой положительный заряд, который доходит до уровня примерно +30 мВ, а потом быстро опускается примерно до уровня потенциала покоя, то есть от 0 до 1, а потом опять к 0. Вот она, ступенька тока, которая дальше способна передавать информацию.

Откуда она берется? Почему нейрон вдруг проснулся и выдал этот импульс? Оказалось, что здесь работают другие ионные каналы — не постоянно открытые, а ионные каналы со створками. В тот момент, когда заряд в нервной клетке достигает уровня -50 мВ, эти створки начинают открываться, начинается движение ионов. Сначала открывается натриевый канал, примерно на полмиллисекунды, в нейрон успевает войти порция ионов натрия. Натрий входит потому, что, во-первых, его в цитоплазме мало — примерно в 10 раз меньше, чем снаружи, и, во-вторых, он положительно заряженный, а цитоплазма заряжена отрицательно, то есть плюс притягивается к минусу. Поэтому вход идет очень быстро, тотально, и мы наблюдаем восходящую фазу потенциала действия. Потом натриевые каналы (одновременно работают тысячи каналов) закрываются, и открываются калиевые каналы, электрочувствительные и тоже со створками. Это не те, которые постоянно открыты, а это каналы, у которых есть специальная белковая петля (канал — это цилиндр, внутри которого есть проход), которая открывается, как турникет, и ионы калия получают возможность выходить из цитоплазмы и выносят большое количество положительного заряда, и в целом заряд в нейроне опускается до уровня потенциала покоя. Калий в этот момент мощно выходит наружу, потому что мы находимся на вершине потенциала действия, уже нет -70 мВ, калия внутри много, а снаружи мало, он выходит, выносит положительный заряд, и система перезарядилась.

Мембрана нервной клетки организована таким образом, что если в одной точке возник такой импульс — а он в основном возникает в зоне синапсов, там, где медиатор возбудил нервную клетку, — то этот импульс способен распространяться по мембране нервной клетки, и это есть передача. Распространение импульса по мембране нейрона — отдельный процесс. К сожалению, он происходит довольно медленно — максимум 100 м/с, и на этом уровне мы, конечно, уступаем компьютерам, потому что электрический сигнал по проводам распространяется со скоростью света, а у нас максимум 100–120 м/с, это немного. Поэтому мы довольно медленные организмы по сравнению с компьютерными системами.

Для того чтобы изучать работу ионных каналов, физиологами используются специальные токсины, которые блокируют эти каналы. Самый известный из этих токсинов — тетродотоксин, яд рыбы фугу. Тетродотоксин выключает электрочувствительный натриевый канал, натрий не входит, потенциал действия не развивается, и сигналы по нейронам вообще не распространяются. Поэтому отравление рыбой фугу вызывает постепенно развивающийся паралич, потому что нервная система перестает передавать информацию. Подобным действием, только более мягким, обладают местные анестетики вроде новокаина, которые используются в медицине для того, чтобы очень локально прекратить передачу импульсов и не запускать болевые сигналы. Для того чтобы изучать нейроны, используются животные модели, записать нервные клетки человека можно только по очень особым поводам. Во время нейрохирургических операций бывают такие ситуации, когда это не только допустимо, но и необходимо. Например, для того чтобы точно выйти на ту зону, которую нужно разрушить, скажем, при какой-нибудь хронической боли.

Есть способы, чтобы записывать электрическую активность мозга человека более тотально. Это делается во время регистрации электроэнцефалограммы, там одновременно записываются суммарные потенциалы действий миллионов клеток. Есть еще одна технология, она называется технология вызванных потенциалов. Эти технологии дополняют то, что нам дают томографические исследования, и позволяют достаточно полно представить ту картину электрических процессов, которая имеет место в мозге человека.

Нервные клетки специализируются на переработке информации. Кроме этой особой функции они, как и другие клетки, должны обеспечивать поддержание собственной структуры и функций, приспосабливаться к изменившимся условиям и оказывать регулирующее влияние на соседние клетки – например, путем формирования синаптических структур, с которыми они образуют синапсы. Механизмы нейрональной пластичности (функциональной адаптации нейронов) и межклеточных взаимодействий до сих пор до конца не выяснены, однако они определяют развитие нормальных функций нервной системы и иннервируемых органов и непосредственно участвуют в процессах обучения и памяти.

Электрические процессы в нервных клетках включают наличие постоянного потенциала покоя и медленных и быстрых изменений его при возбуждении. Потенциал покоя является мембранным потенциалом нервной клетки и обусловлен неравномерным распределением электролитов по обе стороны клеточной мембраны. Внутри нервной клетки содержится большое количество органических анионов и катионов. В наружной среде нервной клетки катиона К + примерно в 40 раз меньше, а концентрация анионов Na + в 10–12 раз выше, чем внутри нее.

Нервная клетка, подобно другим клеткам организма, ограничена липопротеиновой мембраной, которая является хорошим электрическим изолятором. По обе её стороны, между содержимым клетки и внеклеточной жидкостью, существует электрическая разность потенциалов – мембранный потенциал, который оказывает влияние на процессы трансмембранного обмена веществ. В нервной клетке изменение мембранного потенциала составляет основу её деятельности – переработку информации.

Мембранный потенциал долго сохраняется постоянным потенциалом покоя нервной клетки, если только она не активизируется какими-то внешними воздействиями. Потенциал покоя – это разность между электрическими потенциалами внутри и вне клетки в состоянии покоя, он играет важную роль в жизнедеятельности нервной клетки и организма в целом, составляет основу возбуждения и переработки информации, обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце.

Для создания разницы ионных концентраций и восполнения их потерь в мембране нервной клетки действует система мембранного насоса (помпа), который осуществляет активный транспорт ионов против градиента концентрации и используют для этого энергию нейронного метаболизма.

Ионный насос – это транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки концентрационному и электрическому градиентам. Примером является N/K – насос (помпа). В результате сопряженного транспорта Na + и К + поддерживается постоянная разновидность концентраций их внутри и вне клетки. Одна молекула аденозинтрифосфата (АТФ) обеспечивает один цикл работы Na/К-насоса: перенос трех ионов Na + за пределы и двух ионов К + внутрь клетки.

Насосы представляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами переносчика и АТФ-азной активностью. Непосредственным источником энергии является АТФ. Существует несколько видов ионных насосов: натрий-калиевый, кальциевый, водородный и хлорный. Их специфичность заключается в том, что они переносят какой-то определенный ион или два иона. Наиболее существен натрий-калиевый насос, возвращающий К + внутрь клетки и выводящий из нее Na + . На внутренней стороне мембраны Na + соединяется с молекулой переносчика; образованный комплекс ион-переносчик проходит через мембрану; на наружной поверхности комплекс распадается, высвобождая ион Na + и соединяясь с ионом К + , транспортирует его внутрь. Источником энергии для работы насоса служит расщепление АТФ ферментом АТФ-азой, выполняющим функцию переносчика.

У различных нейронов величина мембранного потенциала колеблется от -80 до -40 мВ, она в значительной степени зависит от особенностей его деятельности и функционального состояния. При уменьшении величины мембранного потенциала покоя (деполяризации) возбудимость возрастает, при увеличении мембранного потенциала (гиперполяризации) – снижается. Возбуждение нервной клетки связано с развитием нервного импульса, который возникает при быстром сдвиге мембранного потенциала в положительном направлении. Нервный импульс, или потенциал действия, представляет собой кратковременное изменение мембранны, при которой изменяется полярность с минуса на плюс. В момент его пика мембрана становится заряженной внутри не отрицательно, а положительно до +50 мВ. Амплитуда составляет 110–130 мВ и длится около 1 мс.

Нервные импульсы способны быстро и надежно распространяться по мембране тела и аксона нервной клетки. Способность к распространению возбуждения связана с тем, что в это время происходит изменение знака заряда в возбужденном участке мембраны. Между ним и невозбужденными соседними участками мембраны возникают локальные электрические токи, под действием которых происходит деполяризация новых соседних участков, что приводит к формированию в них потенциала действия. Разновидность активного проведения возбуждения выявлена и на определенных участках дендритов некоторых нейронов.

Далее это возбуждение (потенциал действия) передается другому нейрону или какой-то другой клетке, например мышечной, железистой и др.

Возбуждение от тела нервной клетки переходит на аксоны. Аксоны разных нервных клеток объединяются в пучки и представляют собой нервы или нервное волокно. Отростки нервных клеток могут быть покрыты одним видом оболочек – шванновской, и носит название безмякотного волокна. Скорость проведения нервного импульса до 30 м/с. Другой вид покрытия нервного волокна имеет два вида оболочек – шванновскую и миелиновую. Он называется мякотным. Скорость проведения нервного импульса по такому виду волокна увеличивается в 2–4 раза и колеблется в пределах от 60 до 120 м/с.

Потенциалы действия всегда возникают при деполяризации мембраны примерно до -50 мВ. Уровень потенциала, при котором деполяризация дает начало потенциалу действия, называется порогом. При таком пороговом потенциале заряд мембраны становится нестабильным; он нарушается из-за быстрого нарастания потенциала действия до пика. Это состояние автоматического прогрессирующего нарушения мембранного заряда называются возбуждением, оно длится от 0,5 до 1 мс и подобно взрыву характеризуется мощностью и быстрым прекращением. После фазы деполяризации наступает процесс восстановления заряда мембраны, присущего состоянию покоя.