Распространение возбуждения по нервному волокну: Проведение возбуждения по нервным волокнам

Проведение возбуждения по нервным волокнам

Проведение возбуждения от нейронов ЦНС к эффекторным клеткам, а также от рецепторов к нервным центрам осуществляют нервные волокна, совокупность которых составляет нервы.

Все нервные волокна характеризуются общими, присущими всем возбудимым тканям, свойствами — порогом возбуждения, лабильностью, циклическими изменениями возбудимости, подчиняются закону «сила -время», способны к аккомодации. Вместе с тем нервные волокна имеют ряд только им присущих особенностей.

Возбуждение распространяется в обе стороны от места нанесения раздражения, так как неповрежденное нервное волокно в любом из своих участков на всем протяжении имеет одинаковые кабельные свойства.

В норме возбуждение всегда распространяется ортодромно (прямо) -от тела нервной клетки по аксону вплоть до его концевых разветвлений.

В эксперименте — при искусственной стимуляции участка нервного волокна — возбуждение может направиться антидромно, в направлении, противоположном естественному.

Нервные волокна практически неутомляемы, так как проведение возбуждения связано только с их электрическими свойствами и не затрагивает сложных нейрохимических процессов. Скорость проведения в различных типах нервных волокон различна.

По нервным волокнам передаются серии импульсов, которые имеют ра >ные частоты и распределение по времени.

Из всех возбудимых образований нервные волокна обладают самой Высокой функциональной лабильностью, т.е. проводят очень высокие частоты импульсации без трансформации ритма.

В том случае, если частота импульсации превышает функциональную цабильность нервного волокна, возникает явление пессимизма.

Согласно «кабельной» теории, предложенной в 1950 г. А. Германом, возбуждение проводится непрерывно по безмиелиновым и прерывисто (сальтаторно, скачкообразно) по миелиновым волокнам.

Безмиелиновые волокна на всем протяжении имеют одинаковую электропроводность и сопротивление. Вследствие деполяризации участка мембраны возникающий в нем локальный (местный) ток распространяется только нарядом расположенный невозбужденный участок. Волна деполяризации идет последовательно, не имея возможности миновать ни один из невозбужденных участков волокна.

Миелиновые волокна имеют изолирующий слой, резко уменьшающий емкость мембраны нервного волокна и практически полностью предотвращающий утечку тока из него.

Невозбужденный участок волокна электроположителен по отношению к аксоплазме, а возбужденный — электроотрицателен. Вследствие этого на поверхности волокна возникает продольная разность потенциалов. Так как волокно находится в токопроводящей среде, образуется регенераторный потенциал действия, т.е. процесс деполяризации быстро распространяется.

Миелиновые волокна имеют очевидные преимущества:
— энергетически они более экономичны;
— быстро проводят различные виды чувствительности, обеспечивая максимально быстрые, адекватные реакции.

Механизмы проведения нервного импульса в миелиновых и безмиелиновых волокнах.

Механизм
распространения возбуждения у различных
нервных волокон неодинаков.

Механизмы
проведения возбуждения в безмиелиновых
волокнах. При
действии раздражителя пороговой силы
на мембрану безмиелинового волокна
изменяется ее проницаемость для ионов
Nа⁺,
которые мощным потоком устремляются
внутрь волокна. В этом месте изменяется
заряд мембраны (внутренняя становиться
заряженной положительно, а наружная
отрицательно). Это ведет к возникновению
круговых токов (заряженных частиц) от
«+» к «–» на протяжении всего волокна.

Особенности
распространения возбуждения по
безмиелиновым волокнам:

1.
Возбуждение распространяется непрерывно
и все волокно сразу охватывается
возбуждением.

2.
Возбуждение распространяется с небольшой
скоростью.

3.
Возбуждение распространяется с
декриментом (уменьшение силы тока к
концу нервного волокна).

По
безмиелиновым волокнам возбуждение
проводится к внутренним органам от
нервных центров.

Однако
низкая скорость распространения
возбуждения и его затухание не всегда
выгодно организму. Поэтому природой
был выработан еще один дополнительный
механизм распространения возбуждения.

Механизмы
проведения возбуждения в миелиновых
волокнах.
Наличие у миелиновых волокон оболочки,
обладающей высоким электрическим
сопротивлением, а также участков волокна,
лишенных оболочки — перехватов Ранвье
создают условия для качественно нового
типа проведения возбуждения по миелиновым
нервным волокнам. В миелинизированном
волокне токи
проводятся только в зонах, не покрытых
миелином (перехватах Ранвье). В этих
участках генерируется очередной ПД.
Перехваты длиной 1 мкм расположены через
1000 — 2000 мкм, характеризуются высокой
плотностью ионных каналов, высокой
электропроводностью и низким
сопротивлением.

При
действии раздражителя пороговой силы
на мембрану миелинового волокна в
области перехвата Ранвье изменяется
проницаемость для ионов Nа⁺,
которые мощным потоком устремляются
внутрь волокна. В этом месте изменяется
заряд мембраны, что ведет к возникновению
круговых токов. Этот ток идет через
межтканевую жидкость к соседнему
перехвату, где происходит смена заряда.
Таким образом, возбуждение перепрыгивает
с одного участка на другой. Обратное
движение возбуждения невозможно так
как участок, через который оно прошло,
находится в фазе абсолютной рефрактерности.

Особенности
распространения возбуждения по миелиновым
волокнам:

1.
Распространение ПД в миэлинизированных
нервных волокнах осуществляется
сальтаторно — скачкообразно от перехвата
к перехвату, т.е. возбуждение (ПД) как бы
«перепрыгивает» через участки нервного
волокна, покрытые миелином, от одного
перехвата к другому и все волокно сразу
не охватывается возбуждением.

2.
Возбуждение распространяется с большой
скоростью.

3.
Возбуждение распространяется без
декримента.

По
миелиновым волокнам возбуждение
распространяется от анализаторов к
ЦНС, к скелетным мышцам, т.е. там, где
требуется высокая скорость ответной
реакции.

3. Законы проведения возбуждения по нервам.

Проведение
возбуждения по нервным волокнам
осуществляется по определенным законам.

Закон
двустороннего проведения возбуждения
по нервному волокну.
Нервы обладают двусторонней проводимостью,
т.е. возбуждение может распространяться
в любом направлении от места его
возникновения, т.е., центростремительно
и центробежно. Это
можно доказать, если на нервное волокно
наложить регистрирующие электроды на
некотором расстоянии друг от друга, а
между ними нанести раздражение.
Возбуждение зафиксируют электроды по
обе стороны от места раздражения.Естественным
направлением распространения возбуждения
является: в афферентных проводниках —
от рецептора к клетке, в эфферентных —
от клетки к рабочему органу.

Закон
анатомической и
физиологической
целостности нервного волокна.
Проведение возбуждения по нервному
волокну возможно лишь в том случае, если
сохранена его анатомическая и
физиологическая целостность, т.е.
передача возбуждения возможна только
по структурно и функционально не
измененному, неповрежденному нерву.
Различные факторы, воздействующие на
нервное волокно (наркотические вещества,
охлаждение, перевязка и т. д.) приводят
к нарушению физиологической целостности,
т.е., к нарушению механизмов передачи
возбуждения. Несмотря на сохранение
его анатомической целостности проведение
возбуждения в таких условиях нарушается.

Закон
изолированного
проведения
возбуждения по нервному
волокну.
В составе нерва возбуждение по нервному
волокну распространяется изолированно,
без перехода на другие волокна, имеющиеся
в составе нерва. Изолированное проведение
возбуждения обусловлено тем, что
сопротивление жидкости, заполняющей
межклеточные пространства, значительно
ниже сопротивления мембраны нервных
волокон. Поэтому, основная часть тока,
возникающего между возбужденным и
невозбужденным участками нервного
волокна, проходит по межклеточным щелям,
не действуя на рядом расположенные
нервные волокна. Изолированное проведение
возбуждения имеет важное значение. Нерв
содержит большое количество нервных
волокон (чувствительных, двигательных,
вегетативных), которые иннервируют
различные по структуре и функциям
эффекторы (клетки; ткани, органы). Если
бы возбуждение внутри нерва распространялось
с одного нервного
волокна на
другое, то нормальное функционирование
органов было бы невозможно.

Парабиоз.

Явление парабиоза
открыто русским физиологом Н.Е.Введенским
в 1901 г. при изучении возбудимости
нервно-мышечного препарата. Состояние
парабиоза могут вызвать различные
воздействия – сверхчастые, сверхсильные
стимулы, яды, лекарства и другие
воздействия как в норме, так и при
патологии. Н. Е. Введенский обнаружил,
что если участок нерва подвергнуть
альтерации (т.е. воздействию повреждающего
агента), то лабильность такого участка
резко снижается. Восстановление исходного
состояния нервного волокна после каждого
потенциала действия в поврежденном
участке происходит медленно. При действии
на этот участок частых раздражителей
он не в состоянии воспроизвести заданный
ритм раздражения, и поэтому проведение
импульсов блокируется. Такое состояние
пониженной лабильности и было названо
парабиозом.
Состояние
парабиоза возбудимой ткани возникает
под влиянием сильных раздражителей и
характеризуется фазными нарушениями
проводимости и возбудимости.

Выделяют
3 фазы: первичную, фазу наибольшей
активности (оптимум) и фазу сниженной
активности (пессимум). Третья фаза
объединяет 3 последовательно сменяющие
друг друга стадии: уравнительную
(провизорная), парадоксальную и тормозную.

Первая фаза (примум)
характеризуется снижением возбудимости
и повышением лабильности. Во вторую
фазу (оптимум) возбудимость достигает
максимума, лабильность начинает
снижаться. В третью фазу (пессимум)
возбудимость и лабильность снижаются
параллельно и развивается 3 стадии
парабиоза.

Первая
стадия — уравнительная
— характеризуется выравниванием ответов
на сильные, частые и умеренные раздражения.
В уравнительную фазу происходит
уравнивание величины ответной реакции
на частые и редкие раздражители. В
нормальных условиях функционирования
нервного волокна величина ответной
реакции иннервируемых им мышечных
волокон подчиняется закону силы: на
редкие раздражители ответная реакция
меньше, а на частые раздражители—больше.
При действии парабиотического агента
и при редком ритме раздражении (например,
25 Гц) все импульсы
возбуждения проводятся через
парабиотический участок, так как
возбудимость после предыдущего импульса
успевает восстановиться. При высоком
ритме раздражении (100 Гц)
последующие импульсы могут поступать
в тот момент, когда нервное волокно еще
находится в состоянии относительной
рефрактерности, вызванной предыдущим
потенциалом действия. Поэтому часть
импульсов не проводится. Если
проводится только каждое четвертое
возбуждение (т.е. 25 импульсов из 100), то
амплитуда ответной реакции становится
такой же, как на редкие раздражители
(25 Гц) — происходит уравнивание ответной
реакции.

Вторая
стадия характеризуется извращенным
реагированием – сильные раздражения
вызывают меньший ответ, чем умеренные.
В эту — парадоксальную
фазу происходит
дальнейшее снижение лабильности. При
этом на редкие и частые раздражители
ответная реакция возникает, но на частые
раздражители она значительно меньше,
т. к. частые раздражители еще больше
снижают лабильность, удлиняя фазу
абсолютной рефрактерности.
Следовательно, наблюдается парадокс —
на редкие раздражители ответная реакция
больше, чем на частые.

В
тормозную
фазу
лабильность снижается до такой степени,
что и редкие, и частые раздражители не
вызывают ответной реакции. При этом
мембрана нервного волокна деполяризована
и не переходит в стадию реполяризации,
т.е. не восстанавливается ее исходное
состояние. Ни сильные, ни умеренные
раздражения не вызывают видимой реакции,
в ткани развивается торможение.

Парабиоз
— явление обратимое. Если парабиотическое
вещество действует недолго, то после
прекращения его действия нерв выходит
из состояния парабиоза через те же фазы,
но в обратной последовательности.
Однако, при действии сильных раздражителей
за тормозной стадией может наступить
полная потеря возбудимости и проводимости,
а в дальнейшем – гибель ткани.

Явление
парабиоза лежит в основе медикаментозного
локального обезболивания. Влияние
анестезирующих веществ вязано с
понижением лабильности и нарушением
механизма проведения возбуждения по
нервным волокнам.

3. Механизмы проведения возбуждения по нервному волокну. Законы проведения возбуждения по нервному волокну

Механизм проведения возбуждения по нервным волокнам зависит от их типа. Существует два типа нервных волокон: миелиновые и безмиелиновые.

Процессы метаболизма в безмиелиновых волокнах не обеспечивают быструю компенсацию расхода энергии. Распространение возбуждения будет идти с постепенным затуханием – с декрементом. Декрементное поведение возбуждения характерно для низкоорганизованной нервной системы. Возбуждение распространяется за счет малых круговых токов, которые возникают внутри волокна или в окружающей его жидкости. Между возбужденными и невозбужденными участками возникает разность потенциалов, которая способствует возникновению круговых токов. Ток будет распространяться от «+» заряда к «?». В месте выхода кругового тока повышается проницаемость плазматической мембраны для ионов Na, в результате чего происходит деполяризация мембраны. Между вновь возбужденным участком и соседним невозбужденным вновь возникает разность потенциалов, что приводит к возникновению круговых токов. Возбуждение постепенно охватывает соседние участки осевого цилиндра и так распространяется до конца аксона.

В миелиновых волокнах благодаря совершенству метаболизма возбуждение проходит, не затухая, без декремента. За счет большого радиуса нервного волокна, обусловленного миелиновой оболочкой, электрический ток может входить и выходить из волокна только в области перехвата. При нанесении раздражения возникает деполяризация в области перехвата А, соседний перехват В в это время поляризован. Между перехватами возникает разность потенциалов, и появляются круговые токи. За счет круговых токов возбуждаются другие перехваты, при этом возбуждение распространяется сальтаторно, скачкообразно от одного перехвата к другому. Сальтаторный способ распространения возбуждения экономичен, и скорость распространения возбуждения гораздо выше (70–120 м/с), чем по безмиелиновым нервным волокнам (0,5–2 м/с).

Существует три закона проведения раздражения по нервному волокну.

Закон анатомо-физиологической целостности. Проведение импульсов по нервному волокну возможно лишь в том случае, если не нарушена его целостность. При нарушении физиологических свойств нервного волокна путем охлаждения, применения различных наркотических средств, сдавливания, а также порезами и повреждениями анатомической целостности проведение нервного импульса по нему будет невозможно.

Закон изолированного проведения возбуждения. Существует ряд особенностей распространения возбуждения в периферических, мякотных и безмякотных нервных волокнах.

В периферических нервных волокнах возбуждение передается только вдоль нервного волокна, но не передается на соседние, которые находятся в одном и том же нервном стволе.

В мякотных нервных волокнах роль изолятора выполняет миелиновая оболочка. За счет миелина увеличивается удельное сопротивление и происходит уменьшение электрической емкости оболочки.

В безмякотных нервных волокнах возбуждение передается изолированно. Это объясняется тем, что сопротивление жидкости, которая заполняет межклеточные щели, значительно ниже сопротивления мембраны нервных волокон. Поэтому ток, возникающий между деполяризованным участком и неполяризованным, проходит по межклеточным щелям и не заходит при этом в соседние нервные волокна.

Закон двустороннего проведения возбуждения. Нервное волокно проводит нервные импульсы в двух направлениях: центростремительно и центробежно.

В живом организме возбуждение проводится только в одном направлении. Двусторонняя проводимость нервного волокна ограничена в организме местом возникновения импульса и «клапанным» свойством синапсов, которое заключается в возможности проведения возбуждения только в одном направлении.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Физиология человека и животных » 4. Возбудимые клетки как проводники электричества. Распространение электротонического потенциала. Константа длины. Механизм проведения возбуждения по немиелинизированным и миелинизированным нервным волокнам

Мембрана нейрона и его отростков (нервных волокон) обладает способностью не только генерировать потенциал действия, но и передавать го на относительно большие расстояния без уменьшения его амплитуды и расходования энергии, поэтому нервные импульсы распространяются без затухания (бездекрементно).  Способность к распространению возбуждения связана с тем, что во время потенциала действия происходит изменение знака заряда в возбужденном участке мембраны (инверсия заряда). 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. За счет последовательного охвата возбуждением все новых участков  нервного волокна возбуждение перемещается вдоль дендритов и аксонов. Чем больше диаметр волокна, тем больше скорость распространения возбуждения.

Особенности проведения возбуждения в нервных волокнах определяются наличием или отсутствием у них оболочки. Нервные волокна делятся на миелиновые и безмиелиновые, то есть покрытые особой миелиновой оболочкой или не покрытые. Эта оболочка образуется на периферии шванновскими клетками, а в головном мозге – клетками олигодендроглии.

Механизм проведения импульса по нервным волокнам объясняется теорией “местных токов” Тасаки (рисунок 3 и рисунок 4). В безмиелиновом нервном волокне ПД генерируется каждой  точкой поверхности мембраны – так называемое непрерывное проведение возбуждения. Во время пикового ПД на наружной поверхности волокна происходит перезарядка, в результате чего возникает местный ток от соседнего положительно заряженного участка к возбужденному, а внутри – наоборот. Таким образом образуется кольцевой ток.

В миелиновых волокнах слой миелина не целиком охватывает волокно, а имеет промежутки – перехваты Ранвье. Сам миелин обладает высоким сопротивлением электрическому току, поэтому в участках, покрытых миелином, потенциал действия генерироваться не может. Перехваты Ранвье располагаются примерно через каждые 0,5-1,5 мм (в зависимости от толщины оболочки), в них обнаружено очень много (около 12 тыс/мкм²) натриевых каналов, поэтому в миелиновых волокнах проведение возбуждения происходит скачкообразно (сальтаторно).

Между соседними участками возникает большой по величине ток (ПД = 100-120 мВ), который в 3-5 раз превышает порог раздражения и способен возбудить соседние участки, что составляет  фактор надежности.

Скорость проведения возбуждения пропорциональна корню квадратному от диаметра волокна. Самые тонкие волокна – безмиелиновые, а в миелиновых волокнах чем толще слой миелина, тем больше расстояние между перехватами Ранвье. В безмиелиновых волокнах местные кольцевые токи последовательно распространяются “маленькими шажочками” непрерывно, скорость проведения возбуждения в безмиелиновых волокнах гораздо ниже, чем в миелиновых. Такая  передача импульса является медленной и неэкономичной в плане энергозатрат. Поэтому безмиелиновыми являются  только самые тонкие волокна (менее 1 мкм в диаметре), проводящие возбуждение к медленно работающим органам – кишечнику, мочевому пузырю и др. Как правило, не миелинизируются волокна, проводящие информацию о боли и температуре.

Константа длины – это расстояние, на котором местный ток сохраняет пороговое значение, то есть способен вызывать образование ПД на следующем участке нервного волокна.

 Рисунок 3 – Передача возбуждения в миелинизированном нервном волокне

Рисунок 4 – Передача возбуждения в немиелинизированном нервном волокне

 Такая передача импульса является медленной и неэкономичной в плане.

Механизмы проведения возбуждения по нервному волокну. Законы проведения возбуждения по нервному волокну

Механизм проведения возбуждения по нервным волокнам зависит от их типа. Существуют два типа нервных волокон: миелиновые и безмиелиновые.

Процессы метаболизма в безмиелиновых волокнах не обеспечивают быструю компенсацию расхода энергии. Распространение возбуждения будет идти с постепенным затуханием – с декрементом. Декрементное поведение возбуждения характерно для низкоорганизованной нервной системы. Возбуждение распространяется за счет малых круговых токов, которые возникают внутрь волокна или в окружающую его жидкость. Между возбужденными и невозбужденными участками возникает разность потенциалов, которая способствует возникновению круговых токов. Ток будет распространяться от «+» заряда к «—». В месте выхода кругового тока повышается проницаемость плазматической мембраны для ионов Na, в результате чего происходит деполяризация мембраны. Между вновь возбужденным участком и соседним невозбужденным вновь возникает разность потенциалов, что приводит к возникновению круговых токов. Возбуждение постепенно охватывает соседние участки осевого цилиндра и так распространяется до конца аксона.

В миелиновых волокнах благодаря совершенству метаболизма возбуждение проходит, не затухая, без декремента. За счет большого радиуса нервного волокна, обусловленного миелиновой оболочкой, электрический ток может входить и выходить из волокна только в области перехвата. При нанесения раздражения возникает деполяризация в области перехвата А, соседний перехват В в это время поляризован. Между перехватами возникает разность потенциалов, и появляются круговые токи. За счет круговых токов возбуждаются другие перехваты, при этом возбуждение распространяется сальтаторно, скачкообразно от одного перехвата к другому. Сальтаторный способ распространения возбуждения экономичен, и скорость распространения возбуждения гораздо выше (70—120 м/с), чем по безмиелиновым нервным волокнам (0,5–2 м/с).

Существует три закона проведения раздражения по нервному волокну.

Закон анатомо-физиологической целостности.

Проведение импульсов по нервному волокну возможно лишь в том случае, если не нарушена его целостность. При нарушении физиологических свойств нервного волокна путем охлаждения, применения различных наркотических средств, сдавливания, а также порезами и повреждениями анатомической целостности проведение нервного импульса по нему будет невозможно.

Закон изолированного проведения возбуждения.

Существует ряд особенностей распространения возбуждения в периферических, мякотных и безмякотных нервных волокнах.

В периферических нервных волокнах возбуждение передается только вдоль нервного волокна, но не передается на соседние, которые находятся в одном и том же нервном стволе.

В мякотных нервных волокнах роль изолятора выполняет миелиновая оболочка. За счет миелина увеличивается удельное сопротивление и происходит уменьшение электрической емкости оболочки.

В безмякотных нервных волокнах возбуждение передается изолированно. Это объясняется тем, что сопротивление жидкости, которая заполняет межклеточные щели, значительно ниже сопротивления мембраны нервных волокон. Поэтому ток, возникающий между деполяризованным участком и неполяризованным, проходит по межклеточным щелям и не заходит при этом в соседние нервные волокна.

Закон двустороннего проведения возбуждения.

Нервное волокно проводит нервные импульсы в двух направлениях – центростремительно и центробежно.

В живом организме возбуждение проводится только в одном направлении. Двусторонняя проводимость нервного волокна ограничена в организме местом возникновения импульса и клапанным свойством синапсов, которое заключается в возможности проведения возбуждения только в одном направлении.

http://fictionbook.ru/author/s_i_kuzina/normalnaya_fiziologiya_konspekt_lekciyi/read_online.html?page=2

19) Лабильность (от лат. labilis — скользящий, неустойчивый) в физиологии — функциональная подвижность, скорость протекания элементарных циклов возбуждения в нервной и мышечной тканях. Понятие «лабильность» введено русским физиологом Н. Е. Введенским (1886), который считал мерой лабильности наибольшую частоту раздражения ткани, воспроизводимую ею без преобразования ритма. Лабильность отражает время, в течение которого ткань восстанавливает работоспособность после очередного цикла возбуждения. Наибольшей лабильностью отличаются отростки нервных клеток — аксоны, способные воспроизводить до 500—1000 импульсов в 1 с; менее лабильны центральные и периферические места контакта — синапсы (например, двигательное нервное окончание может передать на скелетную мышцу не более 100—150 возбуждений в 1 с). Угнетение жизнедеятельности тканей и клеток (например, холодом, наркотиками) уменьшает лабильность, так как при этом замедляются процессы восстановления и удлиняется рефрактерный период. Лабильность — величина непостоянная. Так, в сердце под влиянием частых раздражений рефракторный период укорачивается, а следовательно, возрастает лабильность. Это явление лежит в основе т. н. усвоения ритма. Учение о лабильности важно для понимания механизмов нервной деятельности, работы нервных центров и анализаторов как в норме, так и при различных болезненных отклонениях.

В биологии и медицине термином «лабильность» обозначают подвижность, неустойчивость, изменчивость (например, психики, физиологического состояния, пульса, температуры тела и т. д.).

Парабиоз — состояние, пограничное между жизнью и не жизнью клетки. Является фазной реакцией ткани на действие альтерирующих раздражителей. Его ввел в физиологию возбудимых тканей профессор Н. Е. Введенский, изучая работы нервно-мышечного препарата при воздействии на него различных раздражителей.

Причины парабиоза

Это самые разные повреждающие воздействия на возбудимую ткань или клетку, не приводящие к грубым структурным изменениям, но в той или иной мере нарушающее ее функциональное состояние. Такими причинами могут быть механические, термические, химические и другие раздражители.

Сущность явления парабиоза

Как считал сам Введенский, в основе парабиоза лежит снижение возбудимости и проводимости, связанное с натриевой инактивацией. Советский цитофизиолог Н.А. Петрошин полагал, что в основе парабиоза лежат обратимые изменения белков протоплазмы. Под действием повреждающего агента клетка (ткань), не теряя структурной целостности, полностью прекращает функционировать. Это состояние развивается фазно, по мере действия повреждающего фактора (то есть зависит от продолжительности и силы действующего раздражителя). Если повреждающий агент вовремя не убрать, то наступает биологическая смерть клетки (ткани). Если же этот агент убрать вовремя, то ткань так же фазно возвращается в нормальное состояние.

Эксперименты Н.Е. Введенского

Введенский проводил опыты на нервно-мышечном препарате лягушки. На седалищный нерв нервно-мышечного препарата последовательно наносились тестирующие раздражители разной силы. Один раздражитель был слабый (пороговой силы), то есть вызывал минимальное по величине сокращение икроножной мышцы. Другой раздражитель был сильный (максимальный), то есть наименьший из тех, которые вызывают максимальное сокращение икроножной мышцы. Затем в какой-либо точке на нерв наносился повреждающий агент и каждые несколько минут нервно-мышечного препарат подвергался тестированию: поочередно слабыми и сильными раздражителями. При этом последовательно развивались следующие стадии:

Уравнительная, когда в ответ на слабый раздражитель величина сокращения мышцы не изменялась, а в ответ на сильный амплитуда сокращения мышцы резко уменьшалась и становилась такой же, как при ответе на слабый раздражитель;

Парадоксальная, когда в ответ на слабый раздражитель величина сокращения мышцы оставалась прежней, а в ответ на сильный раздражитель величина амплитуды сокращения становилась меньше, чем в ответ на слабый раздражитель, или мышца вообще не сокращалась;

Тормозная, когда и на сильный и на слабый раздражители мышца не отвечала сокращением. Именно это состояние ткани и обозначается как парабиоз.

Биологические значение парабиоза

Парабиоз — это не только лабораторный феномен, а явление, которое при определенных условиях может развиваться в целостном организме. Например, парабиотическое явление развивается в мозге в состоянии сна. Следует отметить, что парабиоз как физиологический феномен, подчиняется общебиологическому закону силы, с отличием в том, что с усилением раздражителя ответная реакция ткани не увеличивается, а уменьшается.

Медицинское значение парабиоза

Парабиоз лежит в основе действия местных анестетиков. Они обратимо связываются cо специфическими участками, расположенными внутри потенциалзависимых натриевых каналов. Впервые подобный эффект был замечен у кокаина, однако вследствие токсичности и способности вызывать привыкание на данный момент применяют более безопасные аналоги – лидокаин и тетракаин. Один из последователей Введенского, Н.П. Резвяков предложил рассматривать патологический процесс как стадию парабиоза, поэтому для его лечения необходимо применять антипарабиотические средства.

Узнать еще:

Законы проведения возбуждения по нервному волокну

Законы проведения возбуждения по нервному волокну

Механизм проведения возбуждения по нервным волокнам зависит от их типа. Существуют два типа нервных волокон: миелиновые и безмиелиновые.

Процессы метаболизма в безмиелиновых волокнах не обеспечивают быструю компенсацию расхода энергии. Распространение возбуждения будет идти с постепенным затуханием – с декрементом. Декре-ментное поведение возбуждения характерно для низкоорганизованной нервной системы. Возбуждение распространяется за счет малых круговых токов, которые возникают внутрь волокна или в окружающую его жидкость. Между возбужденными и невозбужденными участками возникает разность потенциалов, которая способствует возникновению круговых токов. Ток будет распространяться от «+» заряда к«-». В месте выхода кругового тока повышается проницаемость плазматической мемб-раны для ионов Na, в результате чего происходит деполяризация мембраны. Между вновь возбужденным участком и соседним невозбужденным вновь возникает разность потенциалов, что приводит к возникновению круговых токов. Возбуждение постепенно охватывает соседние участки осевого цилиндра и так распространяется до конца аксона.

В миелиновых волокнах благодаря совершенству метаболизма возбуждение проходит, не затухая, без декремента. За счет большого радиуса нервного волокна, обусловленного миелиновой оболочкой, электрический ток может входить и выходить из волокна только в области перехвата. При нанесения раздражения возникает деполяризация в области перехвата А, соседний перехват В в это время поляризован. Между перехватами возникает разность потенциалов, и появляются круговые токи. За счет круговых токов возбуждаются другие перехваты, при этом возбуждение распространяется сальтаторно, скачкообразно от одного перехвата к другому.

Существует три закона проведения раздражения по нервному волокну.

Закон анатомо-физиологической целостности.

Проведение импульсов по нервному волокну возможно лишь в том случае, если не нарушена его целостность.

Закон изолированного проведения возбуждения.

Существует ряд особенностей распространения возбуждения в периферических, мякотных и безмя-котных нервных волокнах.

В периферических нервных волокнах возбуждение передается только вдоль нервного волокна, но не передается на соседние, которые находятся в одном и том же нервном стволе.

В мякотных нервных волокнах роль изолятора выполняет мие-линовая оболочка. За счет миелина увеличивается удельное сопротивление и происходит уменьшение электрической емкости оболочки.

В безмякотных нервных волокнах возбуждение передается изолированно.

Закон двустороннего проведения возбуждения.

Нервное волокно проводит нервные импульсы в двух направлениях – центростремительно и цен-тробежно.

Проведение возбуждения по нервному волокну осуществляется с помощью … механизма (+20б. за

Ответ:

Механизмы проведения возбуждения в безмиелиновых волокнах. При действии раздражителя пороговой силы на мембрану безмиелинового волокна изменяется ее проницаемость для ионов Nа+, которые мощным потоком устремляются внутрь волокна. В этом месте изменяется заряд мембраны (внутренняя становиться заряженной положительно, а наружная отрицательно). Это ведет к возникновению круговых токов (заряженных частиц) от «+» к «–» на протяжении всего волокна.

Особенности распространения возбуждения по безмиелиновым волокнам:

1. Возбуждение распространяется непрерывно и все волокно сразу охватывается возбуждением.

2. Возбуждение распространяется с небольшой скоростью.

3. Возбуждение распространяется с декриментом (уменьшение силы тока к концу нервного волокна).

По безмиелиновым волокнам возбуждение проводится к внутренним органам от нервных центров.

Однако низкая скорость распространения возбуждения и его затухание не всегда выгодно организму. Поэтому природой был выработан еще один дополнительный механизм распространения возбуждения.

Механизмы проведения возбуждения в миелиновых волокнах. Наличие у миелиновых волокон оболочки, обладающей высоким электрическим сопротивлением, а также участков волокна, лишенных оболочки — перехватов Ранвье создают условия для качественно нового типа проведения возбуждения по миелиновым нервным волокнам. В миелинизированном волокне токи проводятся только в зонах, не покрытых миелином (перехватах Ранвье). В этих участках генерируется очередной ПД. Перехваты длиной 1 мкм расположены через 1000 — 2000 мкм, характеризуются высокой плотностью ионных каналов, высокой электропроводностью и низким сопротивлением.

При действии раздражителя пороговой силы на мембрану миелинового волокна в области перехвата Ранвье изменяется проницаемость для ионов Nа+, которые мощным потоком устремляются внутрь волокна. В этом месте изменяется заряд мембраны, что ведет к возникновению круговых токов. Этот ток идет через межтканевую жидкость к соседнему перехвату, где происходит смена заряда. Таким образом, возбуждение перепрыгивает с одного участка на другой. Обратное движение возбуждения невозможно так как участок, через который оно прошло, находится в фазе абсолютной рефрактерности.

Особенности распространения возбуждения по миелиновым волокнам:

1. Распространение ПД в миэлинизированных нервных волокнах осуществляется сальтаторно — скачкообразно от перехвата к перехвату, т.е. возбуждение (ПД) как бы «перепрыгивает» через участки нервного волокна, покрытые миелином, от одного перехвата к другому и все волокно сразу не охватывается возбуждением.

2. Возбуждение распространяется с большой скоростью.

3. Возбуждение распространяется без декримента.

По миелиновым волокнам возбуждение распространяется от анализаторов к ЦНС, к скелетным мышцам, т.е. там, где требуется высокая скорость ответной реакции.

Проведение потенциала действия по нервному волокну

Первоначально мы узнали, что нервные клетки проявляют возбудимость и проводимость. Проводимость — это способность проводить электрический импульс по его пути. Способ проведения потенциала действия по нервному волокну зависит от того, является ли оно миелинизированным или немиелинизированным. Примечание: все мышечные клетки немиелинизированы, в мышечных клетках нет изоляции. Нервные клетки тоже могут быть.

Проведение по немиелинизированному нервному волокну

Первоначально пороговый стимул создает потенциал действия.По мере того, как нервное волокно деполяризуется, оно вызывает увеличение проницаемости лигандно-управляемых каналов ионов натрия, что вызывает открытие натриевых каналов, и ионы натрия переходят в нервную клетку и меняют полярность, поскольку втекают положительно заряженные ионы. Этот потенциал действия будет проводиться по длине волокна, заставляя следующее соседнее пространство открыть управляемых по напряжению каналов для ионов натрия.

Итак, если мы идем слева направо, натрий попадает в клетку из-за того, что эти потенциалзависимые каналы ионов натрия открываются, а тем временем, слева от нее, калий выходит наружу.Когда ионы калия выходят, он реполяризуется. Эта идея о поступлении натрия и выходе калия будет повторяться постоянно, поэтому кажется, что она продолжает перемещать электричество по волокну.

Аналогия: Когда вы заставляете рябь перемещаться по поверхности воды, волна движется, и каждая рябь подобна входящим ионам натрия и выходящим ионам калия.

На рисунке ниже мы видим, что импульс передается в виде волны деполяризации, которая движется вниз по аксону.В области деполяризации ионы Na + диффундируют в клетку. По мере прохождения импульса ионы калия выходят наружу, пока не восстановится потенциал покоя. Затем то, что не показано, — это работа насоса Na + / K + АТФ, который перекачивает натрий обратно из аксона, так что условия покоя восстанавливаются.

Проводимость по миелинизированному нервному волокну

Хорошо, мы только что говорили о проводимости в немиелинизированном нервном волокне. А как насчет миелинизированного? В миелинизированных нервных волокнах деполяризованный Узел Ранвье запускает увеличение проницаемости каналов для ионов натрия (и, таким образом, деполяризацию) в соседнем Узле Ранвье .

Вверху мы видим миелинизированный нейрон. Если миелинизированные клетки обернуты вокруг интернейронов, они являются олигодендроцитами. Если они окружены нейронами в ПНС, их называют клетками Шваана. В любом случае есть эти пробелы, называемые Узлами Ранвье. Единственное место, куда эти ионы калия или натрия могут проникать или уходить, — это немиелинизированные пространства. Натрий входит, а калий выходит, как немелинированное нервное волокно, за исключением того, что этот сигнал, кажется, переходит от одного узла к другому.Это называется скачкообразной проводимостью . Это не имеет ничего общего с солью, но происходит от латинского слова saltaire, что означает прыгать или прыгать.

Из-за этого пропускания скачкообразная проводимость до 50 раз быстрее, чем проводимость через самые быстрые немиелинизированные аксоны, потому что им не нужно перемещаться через каждое отдельное пространство, прежде чем перейти к следующему.

Итак, по сути, потенциал действия генерируется только в узлах. Клеточная мембрана под миелиновыми оболочками почти не имеет натриевых каналов и, следовательно, в любом случае не возбудима.Поскольку ионные токи ограничиваются узлами Ранвье в миелинизированных аксонах, это сводит к минимуму нарушения градиентов концентрации Na ⁺ / K ⁺ , что снижает энергетические затраты насоса Na + / K + -АТФ, который должен восстанавливать ионный остаток средств.

Скорость проводимости нервных волокон

1) Один из факторов, который мы только что узнали, — это миелинизированный или умейлинизированный. (В миелинизированном нейроне AP перемещается быстрее. ВСЕ мышечные клетки немиелинизированы, в то время как нервные клетки могут быть ими.)

2) Чем больше диаметр нервного волокна, тем выше скорость проводимости.

Одной крайностью может быть тонкое немиелинизированное нервное волокно, а другой крайностью — толстое миелинизированное нервное волокно. На самом деле у нас есть всевозможные вариации этих вещей.

Нервные волокна против медных проводов

Вы слышали, что нервная система посылает электрические сигналы? Да, есть у всех.

Как вы думаете, электрические сигналы распространяются с той же скоростью, что и электричество по проводу? Большинство людей сказали бы «да».

Как быстро электричество перемещается по проводам? Скорость проводимости в медном проводе составляет 300 миллионов метров в секунду. Он движется со скоростью света, потому что электричество, как и свет, представляет собой форму электромагнитного излучения. Наибольшая скорость движения нервного волокна — 100 метров в секунду.

Итак, 300 миллионов метров в секунду против 100 метров в секунду. Почему они так далеко друг от друга? По крайней мере, пара причин…

1) В медном проводе движутся электроны. Во всех смыслах электроны ничего не весят.То, что на самом деле движется по нервному волокну, — это ионы натрия. Ион натрия будет иметь 11-12 нейтронов и протонов. Если электрон — горошина, то ион натрия — СОЛНЦЕ.

2) Во-вторых, электроны движутся по медной проволоке. Ионы натрия движутся по цитоплазме.

Клиническое рассмотрение: рассеянный склероз

В этот момент, возможно, вы думаете, что эта беседа не имеет ничего общего с тем, что вы медсестра, но давайте поговорим о рассеянном склерозе. Как вы думаете, будущей медсестре вам, возможно, придется иметь дело с M.С. пациент?

Рассеянный склероз — это аутоиммунное заболевание, при котором белые кровяные тельца иммунной системы атакуют миелинизированные клетки, которые обвивают нервные волокна. Дегенерация олигодендроглии и клеток Шванна известна как демиелинизирующая , а замещение клеток рубцовой тканью называется склерозом .

Мы знаем, что миелинизированные нервные волокна возбуждаются очень быстро. Если иммунная система разрушает миелинизированные клетки, что это повлияет на скорость проведения? Замедли это! Люди с РС сначала заметят, что они не могут двигать своим телом, как раньше, поэтому вместо бега они идут.Все замедляется из-за деградации этих миелинизированных клеток. Это связано с параличом, тремором или нарушениями речи, в зависимости от расположения повреждений.

Когда у нас появляется это недавно немиелинизированное нервное волокно, вокруг него образуется рубцовая ткань. Настоящее название рубцовой ткани — плотная рубцовая ткань неправильной формы. Рубцовая ткань состоит из клеток фибробластов, и эти клетки представляют собой тип соединительной ткани, которая синтезирует белок коллагена. Когда это происходит, используются два термина. Фиброз , потому что фибробласты производят предметы, или Склероз , что означает «затвердевание», потому что рубцовая ткань твердая. (Совершенно не связанное с этим, когда на стенках наших артерий образуется рубцовая ткань, это называется атеросклерозом, что означает затвердение артерий).

Ионы натрия не могут проникнуть через эти рубцовые ткани. В этот момент некоторые люди перестают замедляться и становятся неспособными вообще двигаться. Это индивидуально сильно зависит от того, как быстро это прогрессирует.С людьми это может продолжаться десятилетиями. Могут быть десятилетия, когда что-то не продвигается, но это происходит позже. А у некоторых — более быстрое ухудшение. По мере того, как мы переходим от миелинизированных к немиелинизированным, у нас происходит замедление скорости проводимости, пока, наконец, не прекращается скорость проводимости из-за рубцовой ткани, которая не позволяет ионам натрия проникать. Вы бы не поняли этого, если бы не прочитали в этом посте, как работает скорость проводимости, так что у нас есть еще один уровень в нашей основе фундаментальной физиологии.

Существуют сотни таких аутоиммунных заболеваний. По какой-то причине лейкоциты не распознают ваши собственные клетки и не атакуют их, и это считается в основном генетической проблемой.

• Ревматоидный артрит (поражение суставов)
• Ревматический порок сердца (приступ клапанов сердца)
• Красная волчанка (поражение кожи и других систем организма)
• Гломерулонефрит (иммунная система атакует почки)
• Юношеский диабет (бета-клетки островков поджелудочной железы, поэтому человек не может вырабатывать инсулин)

Один из способов лечения — это введение иммунодепрессантов, которые подавляют иммунный ответ за счет снижения количества лейкоцитов в лимфоцитах.Наиболее распространенным препаратом для этого являются кортикостероиды, например преднизон, поскольку они снижают количество лейкоцитов, которые атакуют ваше тело. Почему-то это чаще встречается у женщин, чем у мужчин.

Далее мы поговорим о синапсах и синаптической передаче…

Импульсы и волны давления вызывают возбуждение и проводимость в нервной системе.

Принято считать, что нервное возбуждение и проводимость вызываются изменениями напряжения.

Однако приток жидкости в эластичную трубку высвобождает импульсы или волны давления.Следовательно, приток ионных токов или движений жидкости в эластичные нейрональные клетки и волокна также вызывает импульсы. Это движение носителей заряда измеряется устройствами измерения напряжения как колебания или потенциалы действия, но изменения напряжения могут быть эпифеноменом (механических) импульсов.

Импульсные волны могут иметь высокую скорость. Чем жестче или неэластичнее стенка трубки, тем больше скорость импульса. Миелиновые оболочки вызывают значительную жесткость стенки нервных волокон, а миелинизированные волокна имеют скорость проводимости до 120 м / с.Приток жидкости в узлы Ранвье периодически усиливает импульсную волну в нервных волокнах.

Авторы предполагают, что замыкающая пластинка мышцы действует как проводник аксональных импульсов к внутренней части мышечных волокон и что экзоцитоз ацетилхолина в синаптическую щель может быть усилителем аксонального импульса. Обсуждается, что внутриклеточные актиновые филаменты также могут влиять на движения нейрональной мембраны.

Многие сенсорные нервные клетки возбуждаются экзогенными или эндогенными механическими импульсами.Вероятно, что такие импульсы проводятся непосредственно к телам сенсорных нервных клеток в ганглиях задних корешков без преобразования в электрическую энергию. Возбуждение происходит без заметных затрат энергии, потому что протекание ионных токов через мембраны происходит эквивалентно градиенту концентрации.

Импульсные волны вызывают короткие удлинения липидных мембран клеточных и волоконных стенок и, следовательно, могут вызывать открытие и закрытие включенных ионных каналов.Этот механизм действует как на «управляемые по напряжению», так и «лиганд-управляемые» каналы.

Концепция нейрональных импульсов может быть полезна для понимания других аспектов нейрофизиологии или нейрональных заболеваний. Это включает, например, сотрясение мозга и патогистологические данные при деменции Альцгеймера.

Чтобы проверить концепцию (механических) импульсов в нервной системе, необходимо провести биофизические или механические исследования в очень малых размерах, и авторы надеются дать для этого достаточный стимул.

Нервная клетка

Границы | Сальтирующая проводимость в немиелинизированных аксонах: кластеризация Na + -каналов на липидных рафтах обеспечивает микросальтационную проводимость в C-волокнах

1.Введение

Распространение потенциалов действия (AP) в аксонах основывается на согласованном действии охватывающих мембрану избирательно проницаемых ионных каналов (Hodgkin and Huxley, 1952). Миелинизированные аксоны характеризуются высокоструктурированным распределением потенциалзависимых ионных каналов с характерной кластеризацией каналов Na ⁺ в узлах Ранвье. Сальтаторная проводимость (Huxley and Stämpfli, 1949; Fitzhugh, 1962) в миелинизированных аксонах относится к быстрому распространению формы электрического сигнала от каждого узла к следующему (AP, кажется, прыгает между узлами).Этот режим проводимости обеспечивает более быстрое (Rushton, 1951; Waxman and Bennett, 1972) и более надежное (Kuriscak et al., 2002) распространение сигналов, чем немиелинизированные аксоны. Напротив, только немиелинизированные аксоны, которые обычно имеют равномерно распределенные ионные каналы (Black et al., 1981), обнаруживаются с диаметрами, приближающимися к физическим пределам диаметра аксона (Waxman and Bennett, 1972) ( d ) при 0,1 мкм. (Faisal et al., 2005), что делает возможными высокие плотности соединений коры головного мозга млекопитающих.

Число ионных каналов на поверхности мембраны нейронов обычно считается достаточно большим, чтобы оправдать объединение проводимости отдельных каналов в непрерывную меру общей проводимости (Dayan and Abbott, 2001), как первоначально сделали Ходжкин и Хаксли ( 1952 г.). Однако в случае тонких аксонов количество ионных каналов может быть слишком маленьким, чтобы эти приближения были действительными. Фейсал и Лафлин (2007) показали, что для точного моделирования тонких аксонов необходимо учитывать поведение отдельных ионных каналов.Шум каналов в очень тонких аксонах имеет большое влияние, ограничивая миниатюризацию волокон за счет уменьшения диаметра аксонов до 0,1 мкм (Faisal et al., 2005). Концептуальный переход от проводимости (на площадь поверхности) к плотности каналов, когда каждый канал имеет только два возможных значения проводимости, соответствующих его открытому и закрытому состояниям, включает исследование эффектов возможных неоднородностей в распределении ионных каналов через мембрану. .

На основании наблюдений за зрительным нервом новорожденных крыс Waxman et al.(1989) предположили, что потенциалы действия могут распространяться вдоль тонких ( d ≈ 0,2 мкм) аксонов путем «прыжков» между отдельными каналами Na ⁺ , расположенными на расстоянии нескольких микрон. Этот постулируемый способ распространения был бы аналогом скачкообразной проводимости в миелинизированных аксонах (Huxley and Stämpfli, 1949) и был назван микро-скачковой проводимостью. Фейсал и Лафлин (2007) показали, что вероятностное закрытие ионных каналов из-за термодинамических флуктуаций или шума канала (обзор White et al., 2000) делает невозможным микрогальваническую проводимость между отдельными каналами Na ⁺ . Это связано с тем, что очень малые диаметры, необходимые для отдельных каналов Na ⁺ , чтобы иметь измеримый эффект на мембранный потенциал, делают аксон чрезмерно чувствительным к стохастическому открытию каналов Na ⁺ , что приводит к чрезмерной спонтанной скорости AP.

В C-волокнах, Pristerà et al. (2012) недавно обнаружили, что NaV1.8, потенциалзависимые каналы Na ⁺ этих 0.Немиелинизированные аксоны диаметром 1 мкм (Sangameswaran et al., 1996; Baker, 2005) плотно упакованы вместе на липидных рафтах. Липидные рафты — это «динамические, наноразмерные, обогащенные стеролсфинголипидами, упорядоченные сборки белков и липидов» (Pike, 2006; Coskun and Simons, 2010; Simons and Gerl, 2010). Они играют роль в организации клеточной мембраны и действуют как центры функциональной локализации белков (Pristerà et al., 2012). Они также вмешиваются в транспортировку, кластеризацию и электрофизиологические свойства ионных каналов и влияют на возбудимость клеток (обзор Pristerá and Okuse, 2012).Обычно они имеют длину 0,1–0,3 мкм (личное сообщение, Amber Finn и Kenji Okuse, 2011) и расположены на расстоянии ~ 5–10 мкм друг от друга (Pristerà et al., 2012). Диссоциация липидных рафтов и каналов Nav1.8 в нейронах DRG коррелирует с нарушением возбудимости нейронов (Pristerà et al., 2012).

C-волокна представляют собой очень тонкие немиелинизированные периферические аксоны, ответственные за передачу ноцицептивных болевых ощущений (Lawson, 2002). На мембране С-волокон обнаружено множество каналов Na ⁺ , включая ТТХ-чувствительный Nav1.6 (Black et al., 2002) и Nav1.7 (Black et al., 2012). Эксперименты с фиксацией напряжения показали, что эти TTX-чувствительные каналы участвуют в усилении подпороговой деполяризации и активны во время AP (Vasylyev and Waxman, 2012). Медленно активирующиеся, медленно инактивирующиеся каналы Nav1.8 играют решающую роль в генерации и распространении AP в этих волокнах (Akopian et al., 1999; Renganathan et al., 2001; Lai et al., 2003). В результате эти устойчивые к ТТХ каналы представляют особый интерес для лечения симптомов нейропатической боли (обзор Scholz and Woolf, 2002).Кластеризация каналов Na ⁺ на липидных рафтах напоминает структуру узлов Ранвье в миелинизированных волокнах и может обеспечивать микросальтационную проводимость в этих тонких аксонах. Здесь мы исследуем, действительно ли возможен этот способ распространения, и его потенциальные преимущества с точки зрения основных ограничений, с которыми сталкиваются нейронные волокна.

2. Материалы и методы

Мы исследовали эффекты кластеризации липидных рафтов каналов Na ⁺ на функцию нервных волокон, используя как детерминированное, так и стохастическое моделирование.В стохастическом моделировании изменения конформации ионных каналов моделировались индивидуально (Faisal, 2012). Моделирование было основано на биофизических данных Бейкера (2005). Вычисления проводились с использованием стохастического симулятора Модильяни (Faisal et al., 2002, 2005) на ПК с Linux с использованием процессора Intel Core i7 с биномиальным алгоритмом, выбранным потому, что он позволяет выполнять точные симуляции, которые требуют меньше вычислительных ресурсов, чем алгоритм Гиллеспи (Фейсал, 2010). Емкость мембраны была установлена ​​на 0.81 мкФ см ^-2 , осевое сопротивление до 70 Ом см, а проводимость утечки через мембрану составляла 0,14 мСм см ^-2 . Потенциал реверсирования утечки, реверсивный потенциал Na ⁺ и реверсивный потенциал K ⁺ были, по порядку, -61,14, 79,6 и -85 мВ.

Наша модель аксона C-волокна содержит только два типа потенциалзависимых ионных каналов. Мы используем модель ТТХ-устойчивых каналов Na ⁺ (NaV1.8), основанную на физиологических данных из Baker (2005). Мгновенная проводимость Na ⁺ в модели определяется выражением г _{Na ⁺} = г _{Na ⁺} × м ³ h , где г _{Na ⁺} = 1.25 мСм см ⁻² . м и h следуют классической динамике Ходжкина и Хаксли (1952) со скоростями α _м = 3,83 / (1 + exp (( V _м + 2,58) / — 11,47) ), β _м = 6,894 / (1 + exp (( V _м + 61,2) /19,8)), α _h = 0,013536 × exp (- ( V _м + 105) / 46,33) и β _h = 0.61714 / (1 + эксп (( V _м — 21,8) / — 11,998)). Это преобразуется в модель канала Na ⁺ с 8 состояниями для стохастического моделирования.

Мы также использовали модель для быстрых каналов K ⁺ , данную Бейкером (2005). Мгновенная проводимость K ⁺ в модели определяется выражением г _{K ⁺} = г _{K ⁺} × n ⁴ , где г _{K ⁺} = 0.17 мСм см ⁻² . а кинетические скорости для n равны α _n = 0,00798 ( V _м + 72,2) / (1 — exp ((- 72,2 — V _м ) / 1,1 )) и β _n = 0,0142 (- 55- V _м ) / (1- exp (( V _m + 55) / 10,5)). Это преобразуется в канал с 5 состояниями для стохастического моделирования (подробности см. В Faisal et al., 2002),

Мы моделировали как равномерно распределенные каналы, так и каналы, сгруппированные на липидных рафтах, расположенных равномерно вдоль 0.Аксон C-волокна диаметром 1 мкм (см. Рисунок 1). Для модели аксона с равномерно распределенными каналами Na ⁺ мы используем проводимость одного канала Na ⁺ , равную 20 пСм, что соответствует плотности 56,25 мкм ^-2 , и проводимости одного канала K ⁺ , равной 17 пСм. pS, что соответствует плотности 10 мкм ^-2 . Значения проводимости одного канала являются предполагаемыми (основаны на типичных значениях для ионных каналов). Для кластерной модели каналов Na ⁺ мы поддерживали постоянную плотность каналов K ⁺ в области между липидными рафтами.Для сравнения между аксоном с равномерно распределенными каналами Na ⁺ и аксоном с липидными рафтами, общая плотность Na ⁺ поддерживалась постоянной (900 мкм ^-2 для рафтов длиной 0,2 мкм, расположенных на расстоянии 3 мкм). Мы также моделируем различные конфигурации кластеров (длину, расстояние) на основе предыдущей работы (Zeng and Tang, 2009), хотя результаты этих нельзя напрямую сравнивать с однородным аксоном. На липидных рафтах отсутствуют каналы K ⁺ . Для всех конфигураций липидных рафтов i.е., все значения длины рафта l и расстояния между рафтами L , мы моделировали аксон, достаточно длинный, чтобы содержать 100 липидных рафтов. В каждом испытании мы дважды вводили небольшой шаг тока. Первый вызванный AP использовался только для обеспечения правильной инициализации ионных каналов. Мы использовали только данные из второй точки доступа каждого испытания.

Рисунок 1. Схематическое изображение аксональных моделей. (A) Аксон нулевой гипотезы. Каналы Na ⁺ и K ⁺ равномерно диффундируют вдоль аксона. (B) Аксон с Na ⁺ каналов, сгруппированных вместе на липидных рафтах. Мы моделируем этот аксон, помещая отсек, содержащий высокую плотность каналов Na ⁺ на регулярных расстояниях между отсеками, содержащими только каналы K ⁺ .

Ширина каждой точки доступа измеряется между точками полуширины. Метаболическая стоимость распространения AP обычно определяется как количество молекул АТФ, необходимое для обращения тока Na ⁺ Na ⁺ -K ⁺ -ATPase (Alle et al., 2009; Sengupta et al., 2010). Однако мы решили сохранить эту меру в терминах заряда Na ⁺ и не преобразовывать ее в меру количества молекул АТФ, потому что заряд Na ⁺ определяется непосредственно величиной тока, пересекающего мембрану, и не требует дополнительных предположений о том, как восстанавливается сбор Na ⁺ .

3. Результаты

Рисунок 2 иллюстрирует распространение потенциала действия в аксоне C-волокна с равномерно распределенными каналами Na ⁺ с использованием как детерминированного, так и стохастического моделирования.В детерминированном моделировании форма волны AP остается постоянной при распространении через аксон. Профиль активации каналов Na ⁺ и, следовательно, ток Na ⁺ , также одинаков во всех точках вдоль аксона, как мы и ожидали.

Рис. 2. Распространение потенциала действия в аксоне С-волокна диаметром 0,1 мкм с равномерно распределенными каналами Na ⁺ . (A) Мембранный потенциал и (C) Na ⁺ ток в детерминированном моделировании. (B) Мембранный потенциал и (D) Na ⁺ ток в одном испытании стохастического моделирования. Белые области означают отсутствие тока.

В стохастическом моделировании с использованием дискретных стохастических ионных каналов наблюдается значительная изменчивость тока Na ⁺ , пересекающего аксон, как показано профилем тока Na ⁺ на Рисунке 2D. Кроме того, стохастическое открытие каждого дискретного канала имеет минимальный ток, определяемый проводимостью одного канала, которая превышает минимальную проводимость, разрешенную в детерминированной модели.Это видно из-за отсутствия синих полос низкого тока Na ⁺ на Рисунке 2D, хотя они присутствуют в начале и конце AP на Рисунке 2C.

3.1. Микросальтирующая проводимость вдоль липидных слоев

Кластеризация каналов Na ⁺ на предполагаемых липидных рафтах все еще позволяет проводить AP (Рисунок 3). Как в детерминированном (Рисунки 3A, C), так и в стохастическом (Рисунки 3B, D) моделировании AP поддерживается только током Na ⁺ в липидных рафтах. Построение профиля кривой AP (рис. 3E) показывает выпуклости на форме волны, соответствующие размещению липидных рафтов каналов Na ⁺ .

Рис. 3. Микросальтирующая проводимость в аксоне С-волокна диаметром 0,1 мкм с сгруппированными каналами Na ⁺ ( l = 0,2 мкм, L = 8 мкм). (A) Мембранный потенциал и (C) Na ⁺ ток в детерминированном моделировании. (B) Мембранный потенциал и (D) Na ⁺ ток в одном испытании стохастического моделирования. В (C, D) линии тока Na ⁺ очень тонкие из-за небольшой длины липидных рафтов. (E) Профиль формы волны AP, распространяющейся в аксоне C-волокна. Неровности на форме волны соответствуют размещению липидных рафтов. (F) Профиль формы волны AP в модели миелинизированного аксона млекопитающих (с использованием параметров из McIntyre et al., 2002). AP «прыгает» между узлами Ранвье, обозначенными *, но амплитуда не сильно снижается по междоузлиям.

Высота AP только немного ниже за пределами липидных рафтов. Это потому, что L намного ниже постоянной длины аксона λ.Следовательно, мембранный потенциал в области между рафтами примерно постоянен и равен таковому в липидных рафтах. Обратите внимание, что в миелинизированных аксонах амплитуда APs над межузловыми областями также ненамного ниже, чем амплитуда в узлах Ranvier (Bakiri et al., 2011). Это также подтверждается нашим моделированием модели миелинизированных аксонов млекопитающих (см. Рис. 3F), основанным на данных McIntyre et al. (2002).

Форма волны

AP немного шире по сравнению с липидными рафтами как при детерминированном (рис. 3A), так и при стохастическом (рис. 3B) моделировании.Этот эффект связан с повторным открытием каналов Na ⁺ в фазе реполяризации AP (Рисунок 8). Мы исследовали влияние длины ( l ) плотов и расстояния между ними ( l ) на форму потенциала действия. Результаты представлены на рисунке 4. И ширина, и высота AP, по-видимому, зависят от размера и расположения липидных рафтов. Более длинные плоты увеличивают ширину точек доступа почти линейно (рис. 4А). Большее количество каналов Na ⁺ в более длинных липидных рафтах также подталкивает пик AP к потенциалу реверсии Na ⁺ , увеличивая его с ~ 55 до 75 мВ (Рисунок 4B).С другой стороны, увеличение расстояния между липидными рафтами сокращает ширину AP. При длине плотов 0,2 мкм на расстоянии 10 мкм ширина AP уменьшается вдвое по сравнению с размещением плотов на расстоянии всего 1 мкм (рис. 4C). Высота AP также снижается за счет дальнейшего продвижения липидных рафтов, на этот раз почти линейным образом (рис. 4D), что ожидается, поскольку изменение больше не ограничивается реверсивным потенциалом Na ⁺ .

Рисунок 4. Высота и ширина потенциала действия как функции распределения каналов. При изменении длины липидных рафтов расстояние между рафтами было установлено равным 8 мкм. При изменении расстояния между рафтами длина липидного рафта составляла 0,2 мкм. (A) Ширина потенциала действия (измеренная при половинном пиковом значении) в модельном аксоне с кластеризованными каналами Na ⁺ как функция длины рафта. (B) Пик потенциала действия в модельном аксоне с кластеризованными каналами Na ⁺ как функция длины рафта. (C) Ширина потенциала действия (измеренная при половинном пике) в модельном аксоне с кластеризованными каналами Na ⁺ как функция расстояния между липидными рафтами. (D) Пик потенциала действия в модельном аксоне с кластеризованными каналами Na ⁺ как функция расстояния между рафтами.

Ожидаются изменения высоты и ширины AP из-за изменений общей плотности каналов Na ⁺ , вызванных изменениями размера или расположения липидных рафтов, а не кластеризацией каналов Na ⁺ на se . Мы рассматриваем этот вопрос в разделе 3.5.

3.2. Изменение формы AP приводит к снижению метаболических затрат

Изменение формы AP напрямую приводит к изменению их метаболической стоимости (Рисунок 5).Укорочение липидных рафтов снижает количество заряда Na ⁺ , пересекающего мембрану, и, таким образом, стоимость АТФ, связанная с перекачкой ионов Na ⁺ обратно из клетки (рис. 5A). Увеличение расстояния между плотами также снижает метаболические затраты. Профиль изменения метаболических затрат точно следует профилю изменения ширины AP, предполагая, что ширина, а не высота, определяет метаболические затраты на запуск AP (Рисунки 4A, C, 5).

Рисунок 5.Метаболическая стоимость потенциалов действия в зависимости от конфигурации липидного рафта в аксоне С-волокна диаметром 0,1 мкм. (A) Метаболическая стоимость потенциалов действия в модельном аксоне с кластеризованными каналами Na ⁺ для различных размеров липидных рафтов. Расстояние между планками было установлено равным 8 мкм. (B) Метаболическая стоимость потенциалов действия в модельном аксоне с кластеризованными каналами Na ⁺ для различных расстояний между рафтами. Длина липидного слоя была установлена ​​на 0,2 мкм.

Теперь мы можем сравнить метаболическую стоимость AP в аксонах с кластеризованными каналами Na ⁺ со стоимостью в аксонах, где каналы Na ⁺ распределены равномерно (Рисунок 6).Экспериментальные результаты (личное сообщение, Amber Finn) предполагают, что l = липидные рафты длиной 0,1–0,3 мкм, расположенные на расстоянии L ≈3 мкм друг от друга. Общая плотность каналов Na ⁺ поддерживается постоянной, предполагая, что плотность в липидных рафтах составляет 900 мкм ^-2 . В нашем моделировании это не приводит к значительному изменению метаболических затрат. Метаболическая стоимость распространения AP по аксонам как с кластеризованными, так и с равномерно распределенными каналами Na ⁺ составляет ~ 13 фКл мкм ^-1 для 0.Аксон диаметром 1 мкм в детерминированном моделировании. В стохастическом моделировании открытие канала означает, что к мембране добавляется проводимость, равная проводимости отдельного канала. Этот минимальный ток из-за дискретной природы проводимости ионного канала влияет на метаболическую стоимость AP. Стохастическое моделирование дает среднее значение 16 fC мкм ^-1 на AP в аксоне с кластеризованными или равномерно распределенными каналами.

Рисунок 6. Метаболическая стоимость потенциалов действия для различных распределений каналов в 0.Аксон C-волокна диаметром 1 мкм. Данные были получены с использованием как детерминированного (синие линии), так и стохастического (прямоугольники) моделирования. (A) l = 0,1 мкм, L = 8 мкм, оптимальные значения даны Zeng and Tang (2009), Na ⁺ плотность каналов 1800 мкм ^-2 , (B) l = 0,2 мкм, L = 8 мкм, Na ⁺ плотность каналов 1800 мкм ⁻² , (C) l = 0,2 мкм, L = 3 мкм, Na ⁺ плотность каналов 900 мкм ^-2 , на основании данных по размещению липидных рафтов, приведенных Pristerà et al.(2012) и личное общение с Эмбер Финн, (D) Uniform distribution. На каждом квадрате центральная отметка — это медиана, края прямоугольника — это 25-й и 75-й процентили, усы простираются до самых крайних точек данных, не считающихся выбросами, а выбросы нанесены на график индивидуально.

Увеличение L и частичная компенсация за счет увеличения плотности каналов Na ⁺ в липидных рафтах снижает заряд Na ⁺ , пересекающий мембрану: 0.Плоты длиной 2 мкм, расположенные на расстоянии 8 мкм друг от друга (Zeng and Tang, 2009), более метаболически эффективны, чем равномерно размещенные каналы Na ⁺ (~ 11 фКл / см ^-1 в детерминированном моделировании). Укорочение липидных рафтов до 0,1 мкм снижает заряд Na ⁺ еще больше, сохраняя при этом способность аксона размножать AP.

3.3. Скорость распространения по кластерам Na

⁺ каналов

Из-за их очень малого диаметра чрезвычайно сложно получить внутриклеточные данные от C-волокон, и поэтому мы можем оценить скорость распространения в этих волокнах только с помощью внеклеточных записей (Tigerholm et al., 2014). Эти оценки не могут быть надежно связаны с диаметром аксона. Аксоны C-волокон известны своей очень низкой скоростью проводимости. Скорость проводимости оценивается в 69 см с ^-1 для аксона диаметром 0,25 мкм (Tigerholm et al., 2014).

Детерминированное моделирование дает скорость ~ 11 см / с. ^-1 как в аксоне с равномерно распределенными каналами Na ⁺ , так и по сгруппированным каналам Na ⁺ (Рисунок 7). В стохастическом моделировании мы получили сопоставимое медианное значение.Однако, как и в случае с метаболической стоимостью AP, сокращение липидных рафтов или увеличение расстояния между ними привело к снижению скорости распространения AP.

Рис. 7. Скорость распространения потенциалов действия для различных распределений каналов в аксоне С-волокна диаметром 0,1 мкм. Данные были получены с использованием как детерминированного (синие линии), так и стохастического (прямоугольники) моделирования. (A) l = 0,1 мкм, L = 8 мкм, оптимальные значения даны Zeng and Tang (2009), Na ⁺ плотность каналов 1800 мкм ⁻² , Обратите внимание, что в стохастическом моделировании некоторые AP не смог размножиться. (B) l = 0,2 мкм, L = 8 мкм, Na ⁺ плотность каналов 1800 мкм ⁻² , (C) l = 0,2 мкм, L = 3 мкм , Na ⁺ плотность каналов 900 мкм ⁻² , на основе данных о размещении липидных рафтов, приведенных Pristerà et al. (2012) и личное общение с Эмбер Финн. (D) Равномерное распределение. На каждом квадрате центральная отметка — это медиана, края прямоугольника — это 25-й и 75-й процентили, усы простираются до самых крайних точек данных, не считающихся выбросами, а выбросы нанесены на график индивидуально.

Это различие можно объяснить пониженным ионным током внутрь. В аксонах ток мембраны не только деполяризует локальную мембрану, но также служит для продвижения формы волны AP. Более низкий ток через мембрану приведет к более медленной деполяризации сегмента мембраны «впереди» и, следовательно, к более медленному распространению AP. Увеличение L и частичная компенсация за счет увеличения плотности каналов Na ⁺ , как это сделано в разделе 3.2, снижает метаболические затраты и, соответственно, скорость распространения AP.В самом крайнем случае, который мы рассмотрели, с липидными рафтами длиной 0,2 мкм, расположенными на расстоянии 8 мкм друг от друга, средняя скорость распространения составила ~ 7 см с ^-1 . В этом аксоне стохастически смоделированные AP не могут размножаться в 3 испытаниях из 20.

3.4. Ионные механизмы снижения метаболических затрат

Чтобы найти механизм снижения метаболических затрат, мы построили график мгновенного тока Na ⁺ и количества открытых каналов Na ⁺ в течение AP (Рисунок 8).В более метаболически эффективных аксонах (зеленые и красные линии и оттенки) AP короче (рис. 8A, красная и зеленая кривые), чем в аксоне с равномерно распределенными каналами Na ⁺ или аксоне с размещенными липидными рафтами длиной 0,2 мкм. На расстоянии 3 мкм.

Рис. 8. Форма волны потенциала действия и натриевого тока в аксонах с однородной плотностью каналов (синий, STD заштрихован голубым, детерминированные результаты — синей пунктирной линией), в кластерах длиной 0,2 мкм, расположенных на расстоянии 3 мкм (черный, STD заштрихован серым, детерминированные результаты черным пунктиром), через 0.Кластеры длиной 2 мкм, расположенные на расстоянии 8 мкм друг от друга (красный, STD заштрихованный свет, детерминированные результаты показаны красной пунктирной линией), и кластеры длиной 0,1 мкм, размещенные на расстоянии 8 мкм (пунктирная зеленая линия) в аксоне С-волокна диаметром 0,1 мкм. (A) Форма волны потенциала действия (B) Мгновенный Na ^{+ ток} и (C) открывают каналы Na ⁺ в одном отсеке. Несмотря на то, что в фазе реполяризации AP открыто несколько каналов Na ⁺ , большая разница между V _m и E _{Na ⁺} создает ток Na ⁺ , сравнимый с током более ранние стадии.

Укорочение AP происходит из-за более короткого периода текущей активности Na ⁺ (Рисунок 8B) в метаболически эффективных аксонах. Ток Na ⁺ кажется относительно постоянным в течение AP. Однако построение графика количества открытых каналов Na ⁺ (Рисунок 8C) показывает, что проводимость Na ⁺ достигает своего пика около пика AP. В фазе реполяризации количество открытых каналов Na ⁺ заметно уменьшается из-за инактивации.Но примерно на полпути реполяризации каналы Na ⁺ могут снова открыться. Это позднее повторное открытие вызывает «удар» в фазе реполяризации сигнала AP. В более метаболически эффективных аксонах количество открытых каналов Na ⁺ уменьшается быстрее, повторное открытие менее выражено, и конец тока Na ⁺ достигается раньше. Это объясняет более низкий общий перенос заряда Na ⁺ в этих аксонах.

Мы также можем объяснить более низкую метаболическую стоимость AP в стохастическом моделировании по сравнению с детерминированным моделированием того же аксона (Рисунок 6).В стохастическом моделировании наблюдается большая реактивация каналов Na ⁺ в фазе реполяризации по сравнению с детерминированным моделированием (рис. 8C). Этот эффект обусловлен «положительной обратной связью» каналов Na ⁺ . Случайное открытие любого канала Na ⁺ продлевает фазу реполяризации и делает открытие других каналов Na ⁺ более вероятным.

3.5. Наблюдаемые эффекты в плотах обусловлены более низкой плотностью каналов Na

⁺

.

Эффект кластеризации каналов Na ⁺ на форму и метаболическую стоимость AP может быть просто следствием более низкой общей плотности каналов Na ⁺ .Чтобы проверить, действительно ли кластеризация каналов Na ⁺ является ответственной за снижение метаболических затрат, мы смоделировали аксоны с равномерно распределенными каналами Na ⁺ , варьируя плотность указанных каналов, и построили график итоговых метаболических затрат ( Рисунок 9).

Рис. 9. Метаболические затраты и скорость потенциала действия как функция плотности каналов Na ⁺ в аксоне С-волокна диаметром 0,1 мкм. (A) Стоимость обмена и скорость потенциала действия (B) как функция плотности каналов Na ⁺ в обоих аксонах с равномерно распределенными каналами Na ⁺ (черный) и аксонах с кластерами каналов Na ⁺ (красный ).Хотя общая плотность каналов Na ⁺ явно оказывает влияние как на стоимость метаболизма, так и на скорость, нет заметного эффекта от кластеризации каналов Na ⁺ в липидных рафтах.

Нет заметной разницы между метаболической стоимостью AP в аксоне с равномерно распределенными каналами Na ⁺ и метаболической стоимостью AP, распространяющейся вдоль аксона с каналами Na ⁺ , сгруппированными на липидных рафтах, если оба аксона имеют одинаковые общие Плотность каналов Na ⁺ (Рисунок 9A).Эквивалентно, скорость распространения AP также одинакова в обоих типах аксонов, если плотность каналов Na ⁺ поддерживается постоянной (Рисунок 9B). Наши результаты показывают, что наблюдаемый эффект на метаболические затраты обусловлен исключительно уменьшенной эквивалентной плотностью каналов Na ⁺ . То есть уменьшение плотности каналов Na ⁺ в модели равномерно распределенных каналов дает такие же короткие и метаболически эффективные аксоны, что и в кластерной модели.

Используя наши данные, мы можем оценить эффективность распространения AP в аксонах C-волокон.Здесь мы определяем эффективность как приток Na ⁺ , необходимый для зарядки емкости мембраны до пика AP / притока Na ⁺ на AP. Приток Na ⁺ в зарядную емкость мембраны до пика AP определяется как dC _м Δ V , где Δ V — амплитуда AP. Эффективный приток Na ⁺ на AP можно оценить, используя данные нашего моделирования. Для аксона C-волокна диаметром 0,1 мкм мы представили результаты на рисунке 10.

Рисунок 10.Эффективность потенциалов действия для различных распределений каналов в аксоне C-волокна диаметром 0,1 мкм. Данные были получены с использованием как детерминированного (синие линии), так и стохастического (прямоугольники) моделирования. (A) l = 0,1 мкм, L = 8 мкм, оптимальные значения даны Zeng and Tang (2009), Na ⁺ плотность каналов 1800 мкм ^-2 , (B) l = 0,2 мкм, L = 8 мкм, Na ⁺ плотность каналов 1800 мкм ⁻² , (C) l = 0.2 мкм, L = 3 мкм, Na ⁺ плотность каналов 900 мкм ^-2 , на основе данных по размещению липидных рафтов, предоставленных Pristerà et al. (2012) и личное общение с Эмбер Финн. (D) Равномерное распределение. На каждом квадрате центральная отметка — это медиана, края прямоугольника — это 25-й и 75-й процентили, усы простираются до самых крайних точек данных, не считающихся выбросами, а выбросы нанесены на график индивидуально.

Аксон с равномерно распределенными ионными каналами потребляет почти в 50 раз больше емкостного минимального тока, необходимого для зарядки его мембраны до пика AP.Наименее неэффективный аксон на этом рисунке все еще в 20 раз дороже теоретического минимума. Чтобы проверить, является ли эта неэффективность специфической для аксона, мы смоделировали простую сферическую мембрану, используя ту же плотность ионных каналов и физиологические данные, что и аксон. Затем мы сравниваем форму волны AP в сферическом отсеке и аксоне на рисунке 11. AP в аксоне шире, чем AP, моделируемые в нашем сферическом отсеке, и зарегистрированные AP из клеток DRG (Baker, 2005). Обратите внимание, что зарегистрированные AP были вызваны довольно длительной инжекцией тока в ячейку.В соме эффективный ток Na ⁺ в ~ 20 раз больше емкостного минимального тока. Этот фактор неэффективности намного больше, чем даже заметно неэффективные аксоны, такие как гигантский аксон кальмара (Hodgkin, 1975; Vetter et al., 2001). Эта неэффективность, по-видимому, связана с неполной инактивацией каналов Na ⁺ . Действительно, построение графика функции β _h , используемой для каналов Na ⁺ в этих каналах, выявляет значительно замедленную инактивацию по сравнению, например, с инактивацией, используемой для каналов Na ⁺ в аксоне гигантского кальмара (Рисунок 12).

Рис. 11. (A) Смоделированные и зарегистрированные потенциалы действия и форма волны (B) натриевого тока в аксоне с однородной плотностью каналов (черный) и в соме (красный). Зеленая кривая в (A) воспроизведена с рисунка 6 в Baker (2005). Зарегистрированный AP вызывается длительным периодом подачи тока, и поэтому мембранный потенциал перед AP не является репрезентативным для истинного потенциала покоя, который, как сообщается, составляет -58 мВ. AP в аксоне шире и метаболически дороже.

Рисунок 12. Разница в кинетике инактивации между каналами Nav1.2 (SGA) и Nav1.8 (C-волокно). Здесь мы строим график функции β _h , как определено в модели канала m ³ h или 8 состояний Na ⁺ . β ^1,8 _h намного ниже, чем β ^1,2 _h во всем биофизически значимом диапазоне.

Чтобы подтвердить это, мы смоделировали сферический мембранный компартмент, используя физиологические данные из модели аксона C-волокна, но с той же функцией β _h , что и у гигантского аксона кальмара Na ⁺ каналов.Форма кривой AP и тока Na ⁺ в этой модели показана на рисунке 11. Потенциалы действия в этой модели намного короче, чем с исходной кинетикой для Nav1.8, и общее количество пересекающих ток Na ⁺ мембрана соответственно меньше. Это приводит к более высокой эффективности для пересмотренной кинетической модели, коэффициент неэффективности (эффективный ток Na ⁺ по сравнению с минимальным током Na ⁺ ) составляет ~ 3 по сравнению с ~ 17 для сомы с исходным Nav1.8 кинетика. Эти расчеты учитывают разницу в амплитудах AP между двумя моделями.

4. Обсуждение

Мы обнаружили, что микросальтирующая проводимость возможна в аксонах C-волокон с каналами Na ⁺ , прикрепленными к липидным рафтам, то есть потенциалы действия (AP) могут распространяться от одного кластера каналов Na ⁺ к следующему в тонком C-волокне. аксоны. Мы также показываем, как поздняя реактивация каналов Na ⁺ влияет на среднюю форму сигналов AP и увеличивает метаболическую стоимость AP в тонких аксонах.Снижение плотности каналов Na ⁺ в обоих аксонах с равномерно расположенными каналами Na ⁺ и аксонов с кластерами каналов Na ⁺ приводит к более коротким и, следовательно, более метаболически эффективным AP.

Изменение длины липидных рафтов ( l ) и расстояния между ними ( L ) влияет на форму сигналов AP из-за связанных изменений плотности каналов Na ⁺ . Меньшие плоты, а также плоты, расположенные дальше друг от друга, приводят к меньшей плотности каналов Na ⁺ и уменьшенной ширине AP.Это связано с уменьшением реактивации каналов Na ⁺ в фазе реполяризации AP. Поскольку в этой фазе мембранный потенциал уже далек от реверсивного потенциала Na ⁺ (E _{Na ⁺} ), большой ток, сравнимый с током на пике AP, проходит через мембрану через любой случайно реактивированный Na ⁺ канал.

Реактивация даже небольшого количества каналов дольше сохраняет мембранный потенциал в деполяризованном состоянии.Это, в свою очередь, препятствует реполяризации мембраны, оставляя больше времени для возможного открытия других каналов. Этот эффект положительной обратной связи делает точки доступа немного шире в стохастическом моделировании, где учитывается возможное стохастическое открытие каналов. Дискретизация проводимости ионного канала усиливает этот эффект за счет увеличения минимальной проводимости. Поскольку эффект открытия каждого канала больше в меньших аксонах (Faisal et al., 2005), реактивация каналов Na ⁺ приводит к немного более широким потенциалам действия в более тонких аксонах.

Наше моделирование привело к двум новым открытиям, касающимся метаболической стоимости распространения AP в C-волокнах. Во-первых, неполная инактивация каналов Nav1.8, управляемых первичным напряжением каналов Na ⁺ в C-волокнах, приводит к длительному току Na ⁺ . Это, в свою очередь, создает очень широкие AP, которые метаболически очень дороги. Перенос заряда Na ⁺ , необходимый для одного AP в сферической мембране с использованием этих каналов Na ⁺ , в 17 раз больше, чем минимальный перенос заряда, необходимый для деполяризации мембраны до пика AP.Это значение выше 4, полученных ранее для гигантских аксонных каналов кальмаров (Hodgkin, 1975; Attwell and Laughlin, 2001), и намного выше, чем кинетика очень метаболически эффективных каналов (Alle et al., 2009; Sengupta et al., 2010). ). Однако последняя кинетика получается при более высоких температурах, и эти сравнения следует использовать только в качестве иллюстрации.

Хотя было показано, что неполная инактивация делает возможным быстрый выброс (Carter and Bean, 2009), неясно, почему волокна с медленным возбуждением, такие как C-волокна, демонстрируют такие же явления.С-волокна работают тихо в отсутствие стимуляции, и частота их возбуждения не превышает ~ 2 Гц (Black et al., 2004; Obreja et al., 2010). Предположительно, очень низкая скорость возбуждения этих высокопороговых волокон снижает влияние метаболической стоимости передачи сигналов в С-волокнах. Очень широкие AP могут иметь функциональную роль, обеспечивая сильный постсинаптический ответ (Klein and Kandel, 1980; Augustine, 2001), и, таким образом, отдавать приоритет AP, переносимым C-волокнами. Другое объяснение может заключаться в том, что неполная деактивация играет роль в обеспечении передачи AP в подверженных шуму тонких волокнах.Nav1.8 — не единственные каналы, экспрессируемые на C-волокнах (Black et al., 2002, 2012; Vasylyev and Waxman, 2012), и есть доказательства того, что др. Типы каналов присутствуют равномерно вдоль этих аксонов. Возможно, эти каналы позволяют использовать более низкие плотности Nav1.8. Роль каналов Nav1.8 может заключаться в обеспечении широкого потенциала действия, а их объединение в кластеры снизит общие метаболические затраты. Для проверки этой гипотезы необходимо более подробное моделирование.

Мы также обнаружили, что стоимость распространения AP в аксонах значительно выше, чем стоимость AP в компартменте сферической мембраны.В нашем моделировании стоимость распространения потенциалов действия в аксонах примерно в три раза превышает стоимость, оцениваемую в соме. Более высокая стоимость связана с более широкими AP в аксоне, чем в соме. В нашем моделировании используется одна и та же кинетика каналов Na ⁺ в модели сомы и в аксоне, и эффект уширения, таким образом, можно отнести только к пространственному расположению мембраны, а не к кинетике каналов (Hallermann et al., 2012 для например, используют другую кинетику канала в своей модели, что приводит к более узким AP в аксонах).

Липидные рафты играют роль в организации транспортировки и локализации белков на мембране, и кластеризация каналов Na ⁺ над липидными рафтами может быть полезной в этом контексте. Липидные рафты могут позволить совместную локализацию ионных насосов и чувствительных к Na ⁺ каналов с каналами Nav1.8, что может иметь некоторые положительные результаты на ионный гомеостаз клетки за счет размещения ионных насосов рядом с источниками тока.

Поскольку вокруг аксонов C-волокон нет миелиновой оболочки, емкость мембраны и проводимость утечки слишком высоки для размещения кластеров Na ⁺ на расстояниях порядка постоянной длины аксона (λ ≈ 200 мкм).В нашем моделировании максимальное расстояние L _max между липидными рафтами, которое позволяло распространять потенциал действия, составляло ~ 20 мкм. Близость липидных рафтов делает форму волны потенциала действия практически неизменной по сравнению с формой волны в аксоне с равномерно распределенными каналами Na ⁺ . Это резко контрастирует с миелинизированными аксонами, где миелиновая оболочка снижает емкость и электрическую проводимость мембраны. В результате узлы Ранвье могут быть расположены намного дальше друг от друга.

Финансирование

Али Нейшабури был поддержан Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук Великобритании (EPSRC). A. Aldo Faisal поддерживается грантом программы Human Frontiers in Science (HFSP RPG00022 / 2012).

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Акопян, А.Н., Суслова, В., Англия, С., Окусе, К., Огата, Н., Юре, Дж. И др. (1999). Тетродотоксин-резистентный натриевый канал SNS выполняет специализированную функцию в болевых путях. Nat. Neurosci . 2, 541–548. DOI: 10.1038 / 9195

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бакири Ю., Карадоттир Р., Косселл Л. и Аттвелл Д. (2011). Морфологические и электрические свойства олигодендроцитов белого вещества мозолистого тела и мозжечка. J. Physiol . 589, 559–573. DOI: 10.1113 / jphysiol.2010.201376

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Блэк, Дж. А., Фрезель, Н., Диб-Хадж, С. Д. и Ваксман, С. Г. (2012). Экспрессия Nav1.7 в нейронах DRG распространяется от периферических окончаний в коже до центральных претерминальных ветвей и окончаний в дорсальном роге. Мол. Боль 8:82. DOI: 10.1186 / 1744-8069-8-82

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камперо, М., Серра, Дж., Босток, Х. и Очоа, Дж. Л. (2004). Частичное обращение замедления проводимости во время повторяющейся стимуляции отдельных симпатических эфферентов в коже человека. Acta Physiol. Сканд . 182, 305–311. DOI: 10.1111 / j.1365-201X.2004.01357.x

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Даян П. и Эбботт Л. Ф. (2001). Теоретическая нейробиология: вычислительное и математическое моделирование нейронных систем . Вычислительная неврология.Массачусетский технологический институт Press, Кембридж, Массачусетс.

Google Scholar

Фейсал А.А. (2010). «Стохастическое моделирование нейронов, аксонов и потенциалов действия», в Stochastic Methods in Neuroscience , eds C. Laing и G. J. Lord (Oxford: Oxford University Press), 297–343.

Фейсал А.А. (2012). «Шум в нейронах и другие ограничения», в Computational Systems Neurobiology , Chapter 8, ed N. Le Novère (Cambridge: Springer), 227–258.DOI: 10.1007 / 978-94-007-3858-4-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фейсал А. А., Лафлин С. Б. и Уайт Дж. А. (2002). «Насколько надежна связь в корковых нейронных сетях?» В IJCNN ’02. Труды 2002 Совместная международная конференция по нейронным сетям , 1–6.

Ходжкин А. Л. и Хаксли А. Ф. (1952). Количественное описание мембранного тока и его применение к проводимости и возбуждению в нерве. Дж.Physiol . 117, 500–544.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Huxley, A. F., and Stämpfli, R. (1949). Доказательства скачкообразной проводимости в периферических миелинизированных нервных волокнах. J. Physiol . 108, 315–339.

Google Scholar

Курискак Э., Троян С. и Вунш З. (2002). Модель надежности распространения спайков по миелинизированному аксону, поврежденному источниками внутреннего шума аксонов. Physiol. Res . 51, 205–215.

Макинтайр, К. К., Ричардсон, А. Г. и Гриль, В. М. (2002). Моделирование возбудимости нервных волокон млекопитающих: влияние постпотенциалов на цикл восстановления. J. Нейрофизиол . 87, 995–1006.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Обрежа, О., Рингкамп, М., Намер, Б., Форш, Э., Клуш, А., Руквид, Р. и др. (2010). Паттерны зависимых от активности изменений скорости проводимости различают классы немиелинизированных механочувствительных афферентов, включая холодовые ноцицепторы, у свиней и человека. Боль 148, 59–69. DOI: 10.1016 / j.pain.2009.10.006

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ренганатан М., Камминс Т. Р. и Ваксман С. Г. (2001). Вклад Nav1. 8 натриевых каналов для электрогенеза потенциала действия в нейронах DRG. J. Нейрофизиол . 86, 629–640.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Сангамесваран, Л., Дельгадо, С. Г., Фиш, Л. М., Кох, Б.Д., Джейкман, Л. Б., Стюарт, Г. Р. и др. (1996). Структура и функция нового потенциалзависимого резистентного к тетродотоксину натриевого канала, специфичного для сенсорных нейронов. Дж. Биол . 271, 5953–5956.

Google Scholar

Тайгерхольм, Дж., Петерссон, М. Э., Обрежа, О., Ламперт, А., Карр, Р., Шмельц, М., и др. (2014). Моделирование зависимых от активности изменений проводимости аксонов в первичных афферентных С-ноцицепторах. J. Нейрофизиол . 111, 1721–1735. DOI: 10.1152 / jn.00777.2012

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ваксман, С. Г., и Беннет, М. В. Л. (1972). Относительные скорости проведения мелких миелинизированных и немиелинизированных волокон в центральной нервной системе. Природа 238, 217–219.

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Ваксман С.Г., Блэк Дж. А., Кочиш Дж. Д. и Ричи Дж. М. (1989). Низкая плотность натриевых каналов поддерживает проводимость потенциала действия в аксонах зрительного нерва новорожденных крыс. Proc. Natl. Акад. Sci. США . 86, 1406–1410. DOI: 10.1073 / pnas.86.4.1406

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

нервных импульсов | BioNinja

Понимание:

• Нервные импульсы — это потенциалы действия, распространяющиеся вдоль аксонов нейронов

Нервные импульсы — это потенциалы действия, которые движутся по длине аксона как волна деполяризации

• Деполяризация происходит, когда ионные каналы открываются и вызывают изменение мембранного потенциала
• Ионные каналы, занимающие длину аксона, составляют управляемые по напряжению (открываются в ответ на изменения мембранного потенциала)
• Следовательно, деполяризация в одной точке аксона запускает открытие ионных каналов в следующем сегменте аксона
• Это вызывает распространение деполяризации по длине аксона. аксон как однонаправленная «волна»

Распространение нервного импульса

Понимание:

• Распространение нервных импульсов является результатом локальных токов, которые заставляют каждую последующую часть аксона

достичь порогового потенциала

Потенциалы действия генерируются в аксоне в соответствии с принципом все или ничего

• Потенциал действия той же величины всегда будет иметь место при условии, что минимальный электрический стимул генерируется
• Этот минимальный стимул известный как пороговый потенциал (–55 мВ) — это уровень, необходимый для открытия управляемых напряжением ионных каналов.
• Если пороговый потенциал не достигнут, потенциал действия не может быть сгенерирован, и, следовательно, нейрон не сработает.

Пороговые потенциалы срабатывают, когда комбинированная стимуляция от дендритов превышает минимальный уровень деполяризации

• Если общая деполяризация от дендритов достаточна для активации потенциалзависимых ионных каналов в одном участке аксона, результирующее смещение ионов должно быть достаточным, чтобы запустить активацию потенциалзависимых ионных каналов в следующем отделе аксона. n

Направление нервного импульса

Блок 3 — Нервная система

Блок 3 — Нервная система

Блок 3-Нервная система

Глава 4

Свойства нерва

Нервные клетки высоко адаптированы
для быстрой передачи информации.Механизмы, с помощью которых они это делают,
еще не полностью изучены, но некоторые аспекты этих механизмов ясны.
Прежде чем рассматривать эти механизмы, будет полезно рассмотреть
структура нервной клетки и нерва.

1. Структура нервных клеток:

Нейрон или нервная клетка,
состоит из двух частей. Один из них — это тело клетки, которое очень похоже на типичную клетку.
показано на рисунке 4. Нервные клетки отличаются от других клеток
части, которые выходят из тела клетки.Некоторые из этих расширений вполне
короткие и многократно разветвленные; они называются дендритами . Другие
одиночные и довольно длинные; они называются аксонами . Аксон может выходить из
головного мозга до самой нижней части спинного мозга, метр у человека с нормальным
размер. Аксоны могут давать ответвления, называемые коллатералями.

Строение нейрона зависит от
по его расположению и функциям. Нейрон, несущий сенсорную информацию к
центральная нервная система может иметь один очень длинный дендрит, который выглядит как
аксон.И длинный дендрит, и аксон несут информацию от органа чувств.
в центральную нервную систему, образуя афферентный путь . Нейроны
переносят информацию из центральной нервной системы, например, двигательную
нейроны имеют много коротких дендритов и один длинный аксон. Информация из
центральная нервная система достигает эффекторного органа посредством эфферента
нервные пути. Длинные отростки нейрона обычно, но не всегда,
обшита. Вещество оболочки называется миелином, жировым материалом.Миелин обычно окружает другая клеточная оболочка, называемая
неврилемма . Ячейки этой оболочки называются ячейками Schwann .

Две оболочки
прерывистый; то есть они окружают аксон на определенное расстояние и
останавливаться. Они начинаются снова почти сразу, но между секциями
оболочки аксон практически не защищен. Эти незащищенные участки называются
узлов Ранвье . На рисунке X показан типичный двигательный нейрон.
с дендритами, аксоном тела клетки и оболочками.На рисунке 92 показан
структура сенсорного нейрона типа, который обнаруживает прикосновение. Обратите внимание, что длинный
дендрит покрыт оболочкой, как и аксон.

2. Периферический нерв:

Периферический нерв — это
скопление нервных волокон, одни из которых покрыты оболочкой, другие нет; некоторые из
которые несут афферентную информацию, другую — эфферентную. Все связаны вместе
соединительная ткань, периневрий. Потому что большинство нервов содержат афферентные и
эфферентные волокна, они называются смешанными .Есть несколько примеров
чисто афферентные нервы и чисто эфферентные, о которых будет сказано позже.
На рисунке 93 показан типичный периферический нерв. Этот нерв содержит
афферентные и эфферентные волокна, некоторые с оболочками, некоторые без них.

3. Проведение нервного импульса:

Практически все ячейки содержат
ионы калия в высокой концентрации и мало ионов натрия. Они окружены
жидкость с низким содержанием калия, но с высоким содержанием натрия. Такие различия в
концентрация означает, что калий имеет тенденцию покидать клетку.Натрий будет иметь тенденцию
войти в нее тоже, но из-за того, что покоящаяся мембрана непроницаема для
натрий. Поскольку положительно заряженный калий имеет тенденцию покидать клетку,
и связанные с ним отрицательно заряженные частицы не могут, потому что они
слишком большой, внешняя часть ячейки становится положительно заряженной относительно
внутри. Хотя задействовано всего несколько ионов, большие потенциалы
развитый. В нормальной ячейке покоя потенциал составляет 0,070 В или 70
милливольт.

Разница напряжений между
снаружи и внутри, протекающие через клеточную мембрану, называются мембраной .
потенциал .Это видно как в аксоне, так и в теле клетки. Когда
мембранный потенциал существует, клетка называется «поляризованной».

Когда мембрана нарушена,
условия, приводящие к возникновению мембранного потенциала, внезапно нарушаются.
Мембрана становится проницаемой для натрия, который теперь течет извне в
внутри; Калий, замененный натрием, теперь легко перемещается изнутри наружу.
Мембранный потенциал отменяется, даже меняется на противоположное, а поляризация становится равной.
заменен на деполяризация .

Внешняя деполяризованная
область электрически отрицательна по отношению к поляризованной области рядом с ней.
Из-за этой электрической разницы ток течет от поляризованного к
деполяризованная часть. Этот ток, протекающий через поляризованную часть, нарушает ее
мембрана, и она тоже становится деполяризованной. Недавно деполяризованная часть,
электроотрицательный по отношению к соседнему участку, создает электрическую разность, которая
деполяризует ту часть. Этот процесс, продолжающийся вдоль нервного волокна, является
нервный импульс.

Из приведенного выше описания
Казалось бы, распространение нервного импульса имеет электрическую природу.
Возможно, но не совсем так. Может
обязательно обнаруживается электрически. Прежде чем проиллюстрировать электрическое обнаружение
нервного импульса, мы должны подчеркнуть, что очень скоро после деполяризации
происходит реполяризация волокна. Клеточное содержимое, на мгновение затопленное
натрий после разрушения мембраны восстанавливается, в то время как натрий
вытесняется натриевым насосом, и калий возвращается в свое нормальное положение.

На рисунке 94 показано
как гальванометр, прикрепленный к аксону, отображает описанные электрические изменения
над. На рисунке 94a оба вывода гальванометра прикреплены к
внешняя сторона неповрежденного нерва. На Рисунке 94b показано одно отведение.
кладут на травмированный участок нерва. Важно подчеркнуть, что
вызывают ли электрические события распространение нервного импульса, скорость
распространения является свойством мембраны, поэтому нервный импульс сильно перемещается
медленнее электрического поля.Электромагнитные поля распространяются в 3 раза быстрее.
l0 ¹⁰ см / сек. Электроны текут медленнее
проводов, но все же гораздо быстрее, чем нервный импульс, который в
миелинизированные волокна движутся со скоростью 12000 см / сек, а в самых медленных миелинизированных
волокна, 500 см / сек. Хотя причины неизвестны, похоже, что
скорость проводимости наибольшая в толстых нервных волокнах и наименьшая — в тонких.

Немиелинизированные нервные волокна
проводят нервный импульс даже медленнее, на 100 см / сек, чем самый медленный
миелинизированные волокна, и некоторые эксперименты предполагают, что могут быть нервные волокна
которые проводят еще медленнее, примерно со скоростью 5-10 см / сек.Разница
между миелинизированными и немиелинизированными волокнами настолько велик, что кажется вероятным
что импульс «перескакивает» от одного узла Ранвье к другому в миелинизированном
волокна ( скачкообразной проводимости ). Принципы, описанные ранее
все еще применимы, но деполяризация и реполяризация происходят только в узлах (рис. 95).

4. Собственность нервов по принципу «все или ничего»:

Когда стимул применяется к
нерв, его реакция — это свойство его мембранных характеристик, а не
стимул.Независимо от того, насколько велик или мал стимул, скорость и размер
потенциал действия одинаков при условии, что стимул адекватен
начать деполяризацию. Меньшие стимулы приводят к отсутствию реакции, а большие
стимулы приводят ко всем ответам, на которые способно волокно. Это свойство
Отдельные нервные волокна называют свойством «все или ничего» . Это должно быть
здесь подчеркнуто, что это свойство не характерно для группы нервных окончаний.
волокна, такие как смешанный нерв, где каждое волокно в группе может иметь
разный порог возбуждения.В такой группе постепенное увеличение
сила стимула приведет к вовлечению все большего и большего количества волокон, пока все
вовлечены. После этого стимуляция не вызывает большей реакции.

5. Огнеупорный период:

В главе 5 мы
отметил, что мышца не ответила на второй стимул, который произошел слишком рано
после первого раздражителя. То же самое и с нервом, но рефрактерный период
довольно коротко, около 1/1000 секунды.

6. Нейронные поезда:

При стимуляции органов чувств
они активируют свои сенсорные нейроны, и нервные импульсы идут к центральному
нервная система.Аксоны стимулированных нейронов контактируют с другими
нейроны в центральной нервной системе с помощью микроскопической структуры, называемой
терминальная кнопка , которая передает сигнал следующему нейрону.

Как и аксон, нейрон имеет
порог. Сигнала от одной кнопки терминала обычно недостаточно, чтобы произвести
деполяризация всего нейрона. Большинство нейронов центральной нервной системы
имеют от нескольких сотен до нескольких тысяч таких подключений. В настоящее время неизвестно, сколько кнопок терминала должно
быть активированным, чтобы активировать любой нейрон.Однако когда достаточно активировано,
разряды нейронов. Через его аксон активируется новая кнопка терминала,
и если стимулировать достаточное количество оконечных кнопок на вторичном нейроне, он тоже будет
быть активированным. Теперь третичный нейрон может быть активирован в соответствии с тем же
принципы и т. д.

В то же время любой нейрон в
цепочка нейронов может получать «активирующую информацию» от других нейронов. это
уверен также, что нейроны могут получать информацию от других нейронов, которые
имеет свойство предотвращать их активацию, торможение.

Таким образом, деятельность центрального
нервная система чрезвычайно регулируема. Моторные нейроны, которые в конечном итоге
активируется после обработки сенсорной информации в центральной нервной системе.
системы различаются по количеству и по мышечным единицам, которые они контролируют. В
простая рефлекторная дуга, в которой один сенсорный нейрон стимулирует вторичный
который стимулирует двигательный нейрон, просто не существует, хотя некоторые двигательные
ответы на некоторые раздражители более или менее предсказуемы.

а. Synaptic Transmission :

Переход между терминалами
кнопка, а следующая за ней нервная клетка называется синапсом . В
природа синаптической передачи не ясна. Некоторые предположили, что это
чисто электрическая. Это может быть так, но во многих случаях синаптическая передача может быть
показано, что связано с выделением химических веществ, которые могут
деполяризовать или гиперполяризовать часть следующего нейрона в шлейфе. В
вещество, которое чаще всего считается ответственным за синаптическую деполяризацию, — это
ацетилхолин. Синаптическая гиперполяризация
(тормозящий) обычно считается электрическим по происхождению, но тормозящий
Были предложены такие вещества, как гамма-аминомасляная кислота.

Независимо от механизма
проводимости, в синапсе действительно наблюдается измеримая задержка около
1/1000 секунды. Ответы с участием многих синапсов обычно возникают спустя долгое время после
стимул. Например, сенсорный ввод может включать 100 синапсов в поезде.
до того, как появится ответ. Следовательно, ответ не может быть раньше 0.100
секунды после импульса.

б. Нервно-мышечное соединение :

Эфферентные нервные волокна несут
информация для исполнительных органов. Информация теперь считается
передается от нерва к исполнительному органу химическими веществами. в
случай произвольной мышцы, соединение нерва и мышцы, в которой химическое
передача нервного импульса происходит по довольно специализированной структуре
называется нервно-мышечным соединением. Схема нервно-мышечного соединения
показано на рисунке 96.

Когда нерв стимулируется, его
конец в нервно-мышечном соединении высвобождает немного ацетилхолина в
соединение. Если достаточно ацетилхолина выделяется и собирается на определенных участках
на мышечной стороне соединения мышца деполяризуется, и
сокращение последует. Второе сокращение зависит от разрушения
ацетилхолин, спровоцировавший первую, что обычно достигается
фермент холинэстераза (см. главу 3).

Есть несколько способов
влияя на нервно-мышечный переход.Некоторые имеют медицинское применение, а
другие с большей вероятностью будут иметь военное применение. Одно медицинское приложение имеет
было упомянуто (Глава 3). При миастении тоже
образуется мало ацетилхолина, он слишком быстро разрушается, или рецептор
сайты относительно нечувствительны к нему. Это состояние можно облегчить
введение мягких ингибиторов холинэстеразы, таких как простигмин или
неостигмин.

Кураре, яд на конце стрелы
обнаруженный индейцами Южной Америки, по всей видимости, занимает места, чувствительные к
ацетилхолин, но не вызывает деполяризации.Таким образом, паралич добровольного
мышечные результаты. Этот препарат широко используется в хирургии, где его применяют для:
производить мышечное расслабление. Большие дозы парализуют дыхательные мышцы, поэтому
всегда следует быть готовым к искусственному дыханию, когда препарат
используется. К счастью, кураре разрушается довольно быстро, так что его паралитический
эффекты временные.

Большинство антихолинэстераз не являются
полезны с медицинской точки зрения, в частности, так называемые «нервно-паралитические газы». Эти вещества
разрушить холинэстеразу.Ацетилхолин, когда он высвобождается в нервно-мышечном
соединение может деполяризовать мышцу, но поскольку ацетилхолин не
разрушается, мышца не реполяризуется. Следовательно, он не реагирует на
дальнейшее раздражение нервов и паралич. Разработка методов распространения
эти вещества в больших населенных пунктах могут привести к революции в
методы ведения войны, или это может привести к истреблению животных на этом
планета.

7. Некоторые свойства отклика нейронного поезда:

Когда одно чувствительное нервное волокно
стимулируется через его орган чувств, импульс, достигающий вторичного
нейрон, обычно не стимулирует его.Сообщается, что это неадекватный . Если,
однако несколько сенсорных волокон разряжаются одновременно на одном и том же
вторичный нейрон, вторичный нейрон может разрядиться. Это называется
суммирование неадекватных стимулов в пространстве , так как рецепторы обычно
пространственно разделены.

Рассмотрим нейрон ниже
поезд. Отдельный сенсорный нейрон может посылать ему импульсы очень прямым
путь. Если импульс возникает только один раз, вторичного разряда не будет.Если
некоторые пути включают всего несколько нейронов, в то время как другие включают больше,
импульсы, приходящие в разное время, все еще недостаточны для возбуждения.
Однако, если стимуляция повторяется, поздние сигналы от поздних стимулов,
путешествуя по длинным, пусть все прибудут вместе, и стимуляция
может возникнуть второй нейрон. Таким образом, повторение одного неадекватного
стимул может привести к разрядке вторичного нейрона. Этот процесс называется
Суммирование неадекватных стимулов во времени .

Сенсорный ввод может активировать все
нейроны некоторых цепочек, приводящие к двигательной реакции. Другие пути также могут
быть вовлеченным, но недостаточно, чтобы разрядить. Незначительный сенсорный ввод, обычно не
достаточно, чтобы стимулировать, может войти в частично задействованный, неразряженный поезд,
сублиминальная бахрома , и на нее может возникнуть реакция. Легкая сенсорная
вход, как сообщается, был облегчен . См. Рисунок 97.

Сильный сенсорный ввод может
активируют многие двигательные нейроны.Другой одновременный сильный сенсорный ввод может сделать
тоже самое. Некоторые из мотонейронов активируются обоими входами. В
сокращение от двойного входа, следовательно, меньше, чем сумма
сокращение от каждого. Говорят, что ответ был частично
окклюзия . См. Рисунок 98.

Продолжение сенсорного ввода может
вовлекают все больше и больше мотонейронов по мере того, как это происходит, аналогично тому, как
описывается при суммировании неадекватных стимулов во времени. Это увеличило
вовлечение моторных нейронов называется набором .Даже после сенсорного
ввод прекращается, его следы могут остаться; то есть нейрон тренируется,
движение, будет двигаться. Таким образом, реакция может пережить раздражитель. Явление
позвонил после выписки .

Ответ на определенные сенсорные
входные сигналы включают сокращение одних мышц и расслабление других. Этот
называется реципрокной иннервацией . Пример этого можно увидеть при ходьбе.
За разгибанием бедра следует его сгибание. Пока разгибатель
мышцы активируются, мышцы-сгибатели должны подавляться, и наоборот.Эти изменения производятся в центральной нервной системе путем активации нейронов.
и ингибирование нейронов .

Все эти свойства нейрона
поезда были описаны наряду со многими другими английским нейрофизиологом.
Шеррингтон сразу после 1900 года. Книга Шеррингтона, Интегративное действие
Нервная система все еще может быть изучена с пользой.

Из приведенного выше краткого описания
ученик может признать, что двигательная реакция на ощущения может быть бесконечной.
разнообразный.Разнообразие во многом проистекает из сложной организации
центральная нервная система, в которой обрабатывается сенсорная информация. Это будет
рассматривается в главе 5.

8. Типичный рефлекс (рефлекс растяжения):

Один из самых воспроизводимых
рефлексы — это рефлекс растяжения, особенно ярко выраженный в мышцах, которые
нормально сохранять осанку. Коленный рефлекс — знакомый пример этого рефлекса.
Когда сухожилие надколенника постукивается чуть ниже коленной чашечки, мышцы
передняя часть бедра немного растянута.Это растяжение стимулирует
рецепторы в мышцах и сухожилиях. Эти рецепторы, называемые
проприоцепторов , передают импульсы отросткам сенсорных нейронов
обслуживает проприоцепторы. Теперь импульсы попадают в спинной мозг.
корень (см. главу 5). Достаточно сенсорная
импульсы обычно генерируются для возбуждения группы вторичных нейронов,
которые, в свою очередь, действуют на двигательные нейроны. Импульсы от вестибулярных ядер
medulla (Глава 5) облегчают
разряд некоторых мотонейронов, вызывающих сокращение группы моторных
единицы измерения.Ответ на растяжение мышцы — укорочение
мышца.

Нейронный поезд, участвующий в этом
тип ответа — короткий. Когда мышца растягивается, сенсорный ввод
прибывает все вместе, и мощность двигателя, не искажаемая длинными поездами, равна
синхронно, то есть все мышцы сокращаются одновременно. Такие сокращения дают
подняться до резкого движения. Напротив, асинхронный разряд приводит к
устойчивое сокращение.

Обычно сенсорный ввод
этот рефлекс является асинхронным, поэтому мышечный ответ также является асинхронным.В разное время задействованы разные датчики и разные двигатели.
Таким образом, осанка легко сохраняется против силы тяжести.

Перейти к главе 5.

Электрокардиограммы нервной проводимости | Физика

Электрические токи в чрезвычайно сложной системе из миллиардов нервов нашего тела позволяют нам ощущать мир, управлять частями нашего тела и думать. Они представляют три основных функции нервов. Во-первых, нервы передают сообщения от наших и других органов чувств в центральную нервную систему, состоящую из головного и спинного мозга.Во-вторых, нервы передают сообщения от центральной нервной системы к мышцам и другим органам. В-третьих, нервы передают и обрабатывают сигналы в центральной нервной системе. Огромное количество нервных клеток и невероятно большее количество связей между ними делает эту систему таким тонким чудом. Нервная проводимость — это общий термин для электрических сигналов, переносимых нервными клетками. Это один из аспектов биоэлектричества , или электрических эффектов в биологических системах и создаваемых ими.Нервные клетки, правильное название нейронов , отличаются от других клеток — у них есть усики, некоторые из которых имеют длину в несколько сантиметров, соединяющие их с другими клетками. (См. Рисунок 1.) Сигналы поступают в тело клетки через синапсов или через дендритов , стимулируя нейрон генерировать собственный сигнал, отправляемый по его длинному аксону другим нервным или мышечным клеткам. . Сигналы могут поступать из многих других мест и передаваться в другие, обуславливая синапсы с помощью использования, придавая системе ее сложность и способность к обучению.

Рис. 1. Нейрон с дендритами и длинным аксоном. Сигналы в виде электрических токов достигают тела клетки через дендриты и через синапсы, стимулируя нейрон генерировать собственный сигнал, посылаемый по аксону. Количество соединений может быть намного больше, чем показано здесь.

Метод, с помощью которого генерируются и передаются эти электрические токи, более сложен, чем простое движение свободных зарядов в проводнике, но его можно понять с помощью принципов, уже обсужденных в этом тексте.Наиболее важными из них являются кулоновская сила и диффузия. На рисунке 2 показано, как на клеточной мембране нейрона в состоянии покоя создается напряжение (разность потенциалов). Эта тонкая мембрана разделяет электрически нейтральные жидкости с различными концентрациями ионов, наиболее важными из которых являются Na ⁺ , K ⁺ и Cl ^— (это ионы натрия, калия и хлора с одним положительным или отрицательным зарядом, поскольку указано). Как обсуждалось в «Явлениях молекулярного переноса: диффузия, осмос и связанные процессы», свободные ионы будут диффундировать из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.Но клеточная мембрана полупроницаема , что означает, что одни ионы могут проходить через нее, а другие — нет. В состоянии покоя клеточная мембрана проницаема для K ⁺ и Cl ^— и непроницаема для Na ⁺ . Таким образом, диффузия K ⁺ и Cl ^— создает слои положительного и отрицательного заряда снаружи и внутри мембраны. Кулоновская сила не позволяет ионам полностью диффундировать. После того, как слой заряда сформирован, отталкивание одинаковых зарядов предотвращает перемещение большего количества зарядов, а притяжение разнородных зарядов не позволяет большему количеству зарядов покинуть любую сторону.Результатом являются два слоя заряда прямо на мембране, причем диффузия уравновешивается кулоновской силой. Крошечная часть зарядов движется поперек, а жидкости остаются нейтральными (присутствуют другие ионы), в то время как на мембране создается разделение заряда и напряжения.

Рис. 2. Полупроницаемая мембрана клетки имеет различные концентрации ионов внутри и снаружи. Диффузия перемещает ионы K ⁺ и Cl ^— в указанном направлении, пока кулоновская сила не остановит дальнейший перенос.Это приводит к слою положительного заряда снаружи, слою отрицательного заряда внутри и, следовательно, к напряжению на клеточной мембране. Мембрана обычно непроницаема для Na ⁺ .

Рис. 3. Потенциал действия — это импульс напряжения внутри нервной клетки, изображенный здесь. Это вызвано перемещением ионов через клеточную мембрану, как показано на рисунке. Деполяризация происходит, когда стимул делает мембрану проницаемой для ионов Na +. Реполяризация происходит, когда мембрана снова становится непроницаемой для Na ⁺ , а концентрация K ⁺ перемещается от высокой к низкой.В долгосрочной перспективе активный транспорт медленно поддерживает разницу концентраций, но клетка может срабатывать сотни раз в быстрой последовательности, не истощая их серьезно.

Разделение зарядов создает разность потенциалов на клеточной мембране от 70 до 90 мВ. Хотя это небольшое напряжение, результирующее электрическое поле ( E = В, / d ) на единственной мембране толщиной 8 нм огромно (порядка 11 МВ / м!) И имеет фундаментальные эффекты. по его структуре и проницаемости.Теперь, если принять внешнюю часть нейрона равной 0 В, то внутренняя часть имеет потенциал покоя , равный примерно –90 мВ. Такие напряжения создаются на мембранах почти всех типов клеток животных, но самые высокие в нервных и мышечных клетках. Фактически, 25% энергии, используемой клетками, идет на создание и поддержание этих потенциалов.

Электрические токи вдоль клеточной мембраны создаются любым стимулом, изменяющим проницаемость мембраны. Таким образом, мембрана временно становится проницаемой для Na ⁺ , который затем устремляется внутрь под действием как диффузии, так и кулоновской силы.Этот выброс Na ⁺ сначала нейтрализует внутреннюю мембрану или деполяризует ее , а затем делает ее слегка положительной. Деполяризация заставляет мембрану снова становиться непроницаемой для Na ⁺ , а движение K ⁺ быстро возвращает клетку к ее потенциалу покоя, или реполяризует ее. Эта последовательность событий приводит к импульсу напряжения, который называется потенциалом действия . (См. Рис. 3.) Движутся только небольшие части ионов, так что ячейка может срабатывать много сотен раз, не снижая избыточных концентраций Na ⁺ и K ⁺ .В конце концов, клетка должна пополнить запасы этих ионов, чтобы поддерживать различия в концентрациях, которые создают биоэлектричество. Этот натрий-калиевый насос является примером активного транспорта , в котором энергия клетки используется для перемещения ионов через мембраны против градиентов диффузии и кулоновской силы.

Потенциал действия — это импульс напряжения в одном месте на клеточной мембране. Как он передается по клеточной мембране и, в частности, по аксону в виде нервного импульса? Ответ заключается в том, что изменяющееся напряжение и электрические поля влияют на проницаемость соседней клеточной мембраны, так что там происходит тот же процесс.Соседняя мембрана деполяризуется, воздействуя на мембрану дальше вниз и так далее, как показано на рисунке 4. Таким образом, потенциал действия, стимулированный в одном месте, запускает нервный импульс , который медленно (около 1 м / с) движется вдоль клетки. мембрана.

Рис. 4. Нервный импульс — это распространение потенциала действия вдоль клеточной мембраны. Стимул вызывает потенциал действия в одном месте, который изменяет проницаемость соседней мембраны, вызывая там потенциал действия.Это, в свою очередь, влияет на мембрану дальше вниз, так что потенциал действия медленно (в электрическом смысле) перемещается вдоль клеточной мембраны. Хотя импульс возникает из-за того, что Na ⁺ и K ⁺ проходят через мембрану, он эквивалентен волне заряда, движущейся снаружи и внутри мембраны.

Некоторые аксоны, подобные аксонам на Рисунке 1, покрыты оболочкой миелина , состоящего из жиросодержащих клеток. На рисунке 5 показан увеличенный вид аксона, имеющего миелиновые оболочки, обычно разделенные немиелинизированными промежутками (так называемые узлы Ранвье).Такое расположение придает аксону ряд интересных свойств. Поскольку миелин является изолятором, он предотвращает скачки сигналов между соседними нервами (перекрестные помехи). Кроме того, миелинизированные области передают электрические сигналы с очень высокой скоростью, как обычный проводник или резистор. В миелинизированных областях отсутствует потенциал действия, поэтому в них не используется энергия клеток. В миелине происходит потеря сигнала IR , но сигнал регенерируется в промежутках, где импульс напряжения запускает потенциал действия при полном напряжении.Таким образом, миелинизированный аксон передает нервный импульс быстрее, с меньшим потреблением энергии и лучше защищен от перекрестных помех, чем немиелинизированный. Не все аксоны миелинизированы, поэтому перекрестные помехи и медленная передача сигналов являются характеристикой нормальной работы этих аксонов, еще одной переменной в нервной системе.

Дегенерация или разрушение миелиновых оболочек, окружающих нервные волокна, ухудшает передачу сигнала и может привести к многочисленным неврологическим эффектам.Одно из наиболее известных заболеваний возникает из-за того, что собственная иммунная система организма атакует миелин в центральной нервной системе — рассеянный склероз. Симптомы рассеянного склероза включают усталость, проблемы со зрением, слабость рук и ног, потерю равновесия, а также покалывание или онемение в конечностях (невропатия). Он чаще поражает молодых людей, особенно женщин. Причины могут быть связаны с инфекцией, экологическими или географическими факторами или генетикой. На данный момент нет известного лекарства от рассеянного склероза.

Большинство клеток животных могут активироваться или создавать свой собственный потенциал действия.Мышечные клетки сокращаются, когда они срабатывают, и часто к этому приводит нервный импульс. Фактически, нервные и мышечные клетки физиологически схожи, и есть даже гибридные клетки, например, в сердце, которые обладают характеристиками как нервов, так и мышц. Некоторые животные, такие как печально известный электрический угорь (см. Рис. 6), используют мускулы, объединенные так, чтобы их напряжения складывались, чтобы создать шок, достаточно сильный, чтобы оглушить добычу.

Рис. 5. Распространение нервного импульса по миелинизированному аксону слева направо.Сигнал распространяется очень быстро и без энергозатрат в миелинизированных областях, но теряет напряжение. Он регенерируется в промежутках. Сигнал движется быстрее, чем в немиелинизированных аксонах, и изолирован от сигналов других нервов, что ограничивает перекрестные помехи.

Рис. 6. Электрический угорь сгибает мускулы, создавая напряжение, оглушающее добычу. (Источник: chrisbb, Flickr)

Подобно тому, как нервные импульсы передаются путем деполяризации и реполяризации соседней мембраны, деполяризация, вызывающая сокращение мышц, также может стимулировать соседние мышечные клетки к деполяризации (срабатыванию огня) и сокращению.Таким образом, волна деполяризации может проходить через сердце, координируя его ритмические сокращения и позволяя ему выполнять свою жизненно важную функцию — продвижение крови по кровеносной системе. Рисунок 7 представляет собой упрощенный график волны деполяризации, распространяющейся по сердцу от синоартериального (SA) узла , естественного водителя ритма сердца.

Рис. 7. Внешняя поверхность сердца изменяется с положительной на отрицательную во время деполяризации. Эта волна деполяризации распространяется от верхушки сердца и представлена ​​вектором, указывающим в направлении волны.Этот вектор является вектором напряжения (разности потенциалов). На пациента помещают три электрода, обозначенные RA, LA и LL. Каждая пара (называемая отведениями I, II и III) измеряет компонент вектора деполяризации и отображается на ЭКГ.

Электрокардиограмма (ЭКГ) — это запись напряжений, созданных волной деполяризации и последующей реполяризации в сердце. Напряжения между парами электродов, размещенных на груди, являются векторными составляющими волны напряжения на сердце.Стандартные ЭКГ имеют 12 или более электродов, но для ясности на рисунке 7 показаны только три. Десятилетия назад трехэлектродная ЭКГ выполнялась путем размещения электродов на левой, правой руке и левой ноге. Напряжение между правой рукой и левой ногой называется потенциалом отведения II и чаще всего отображается на графике. Мы рассмотрим потенциал отведения II как индикатор функции сердечной мышцы и увидим, что он также согласован с артериальным давлением.

Функция сердца и его четырехкамерное действие исследуются в статьях «Вязкость и ламинарный поток»; Закон Пуазейля.В основном правое и левое предсердия получают кровь из тела и легких соответственно и перекачивают кровь в желудочки. Правый и левый желудочки, в свою очередь, перекачивают кровь через легкие и остальную часть тела соответственно. Деполяризация сердечной мышцы заставляет ее сокращаться. После сжатия он переполяризуется, чтобы подготовить его к следующему удару. ЭКГ измеряет компоненты деполяризации и реполяризации сердечной мышцы и может дать важную информацию о функционировании и сбоях в работе сердца.

На рис. 8 показана ЭКГ потенциала II отведения и график соответствующего артериального давления. Основные особенности обозначены P, Q, R, S и T. Зубец P генерируется деполяризацией и сокращением предсердий, когда они перекачивают кровь в желудочки. Комплекс QRS создается деполяризацией желудочков, когда они перекачивают кровь в легкие и тело. Поскольку форма сердца и путь волны деполяризации непросты, комплекс QRS имеет эту типичную форму и временной промежуток.Сигнал QRS в отведении II также маскирует реполяризацию предсердий, которая происходит в то же время. Наконец, зубец T генерируется реполяризацией желудочков, за ним следует следующий зубец P в следующем сокращении сердца. Артериальное кровяное давление изменяется в зависимости от частоты сердечных сокращений, при этом систолическое (максимальное) давление возникает сразу после комплекса QRS, который сигнализирует о сокращении желудочков.