Електричний імпульс в нервовій клітині. Нервовий імпульс - електричний імпульс чи ні? Хімія проведення імпульсу

Нервовий імпульс - електричний імпульс чи ні?

Є різні точки зору: хімічна і електрична. Результати гууглеванія.

Дмитро. Чому нерви не дроти, а нервовий імпульс не ток. (4.09.2013)

Фізична ЕНЦИКЛОПЕДІЯ:

НЕРВОВИЙ ІМПУЛЬС - хвиля збудження, К-раю поширюється по нервовому волокну і служить для передачі інформації від периферич. рецепторних (чутливих) закінчень до нервових центрів, всередині центр. нервової системи і від неї до виконавчих апаратів - м'язів і залоз. Проходження Н. і. супроводжується перехідними електричні. процесами, к-які можна зареєструвати як позаклітинними, так і внутрішньоклітинними електродами ... Уздовж нервового волокна Нервовий імпусьс поширюється у вигляді хвилі електричні. потенціалу. У синапсі відбувається зміна механізму поширення. Коли Н. і. досягає пресінаптіч. закінчення, в сінаптіч. щілину виділяється активне хім. речовина - м е д і а т о р. Медіатор дифундує через сінаптіч. щілину і змінює проникність постсінаптіч. мембрани, в результаті чого на ній виникає потенціал, знову генерує імпульс, що поширюється. Так діє хім. синапс. Зустрічається також електричні. синапс, коли слід. нейрон збуджується електрично ... Стан спокою нервового волокна ... стаціонарно завдяки дії іонних насосів , Причому мембранний потенціал в умовах розімкнутої ланцюга визначається з рівності нулю повного елект. струму ...
Процес нервового збудження розвивається таким чином (див. Також Біофізика). Якщо пропустити через аксон слабкий імпульс струму, що приводить до деполяризації мембрани, то після зняття зовн. впливу потенціал монотонно повертається до початкового рівня. В цих умовах аксон поводиться як пасивна електричні. ланцюг, що складається з конденсатора і пост. опору.
якщо імпульс струму перевищує недо-рую порогову величину, потенціал продовжує змінюватися і після виключення обурення ...

Мембрана нервового волокна є нелінійний іонний провідник , Властивості догрого істотно залежать від елект. поля.

ІОННІ НАСОСИ молекулярні структури, вбудовані в біол. мембрани і здійснюють перенос іонів в сторону більш високого ЕлектроХіт. потенціалу

Семен С.Н. Про фонон ПРИРОДІ нервових імпульсів З ПОЗИЦІЙ ДИНАМИКИ ЕВОЛЮЦІЇ. (29.05.2013)
Семенов С.М. Фонон - квант біологічної (клітинної) мембрани.

Молекулярно-МЕХАНІЧНА МОДЕЛЬ БУДІВЛІ І ФУНКЦІОНУВАННЯ БІОЛОГІЧНИХ МЕМБРАН
ВСТУП В квантової фонон БІОЛОГІЮ МЕМБРАН.
С.Н. Семенов, Дата публікації: 8 вересня 2003
Контакт з автором: [Email protected]

Миколаїв Л.А. 'Метали в живих організмах' - Москва: Просвещение, 1986 - с.127
У науково-популярній формі автор розповідає про роль металів в біохімічних процесах, що протікають в живих організмах. Книга буде сприяти розширенню кругозору учнів.
У поширенні по нерву електричних імпульсів беруть участь обидва іона (натрію і калію).

Електрична природа нервових імпульсів і збудливості нервової клітини.
Гальвані ще напередодні XIX століття експериментально довів, що між електрикою і функціонуванням м'язів і нервів існує певний зв'язок.
Встановлення електричної природи збудження скелетного м'яза призвело до практичного застосування цієї властивості в медицині. Багато в чому цьому сприяв голландський фізіолог Віллерн Ейнтховен. У 1903 році він створив особливо чутливий гальванометр, настільки чутливий, що з його допомогою можна було фіксувати зміни електричного потенціалу скорочується серцевого м'яза. Протягом трьох наступних років Ейнтховен записував зміни потенціалу серця при його скороченні (цей запис називається електрокардіограмою) і зіставляв особливості піків і западин з різними типами серцевих патологій.
Електричну природу нервового імпульсу виявити було важче, спочатку вважали, що виникнення електричного струму і поширення його по нервовому волокну обумовлені хімічними змінами в нервовій клітині. Приводом для такого чисто спекулятивного судження послужили результати експериментів німецького фізіолога XIX століття Еміла Дю Буа-Раймона, який за допомогою високочутливого гальванометра зміг зареєструвати в нерві при його стимуляції слабенький електричний струм.
У міру розвитку техніки дослідження електричної природи нервового імпульсу ставали все більш витонченими. Помістивши крихітні електроди (мікроелектроди) на різні ділянки нервового волокна, дослідники за допомогою осцилоскопа навчилися реєструвати не тільки величину виникає при порушенні нерва електричного потенціалу, а й його тривалість, швидкість поширення і інші електрофізіологічні параметри. За роботи, виконані в цій області, американські фізіологи Джозеф Ерлангер і Герберт Спенсер Гессер в 1944 році були удостоєні звання лауреатів Нобелівської премії в галузі медицини і фізіології.
Якщо на нервову клітину подавати електричні імпульси зростаючої сили, то спочатку, поки сила імпульсу не досягне певної величини, клітина на ці імпульси реагувати не буде. Але як тільки сила імпульсу досягне певного значення, клітина раптово збудиться і тут же збудження почне поширюватися по нервовому волокну. Нервова клітина має певний поріг збудження, і на будь-який стимул, що перевищує цей поріг, вона відповідає збудженням тільки певної інтенсивності. Таким чином, збудливість нервової клітини підпорядковується закону «все або нічого», і у всіх нервових клітинах організму природа збудження одна і та ж.

http: //med-000.ru/kak-funkcioniruet-nerv/elektrich ...

Іонна теорія нервових імпульсів, роль іонів калію і натрію в нервовому збудженні.

Порушення самої нервової клітини обумовлено рухом іонів через клітинну мембрану. Зазвичай всередині клітини міститься надлишок іонів калію, тоді як зовні її виявляється надлишок іонів натрію. У спокої клітина не випускає з себе іони калію і не впускає в себе іони натрію, не даючи зрівнятися концентрацій цих іонів по обидві сторони мембрани. Градієнт іонів клітина підтримує за допомогою роботи натрієвого насоса, який викачує іони натрію назовні в міру їх надходження всередину клітини через мембрану. Різна концентрація іонів натрію по обидва боки клітинної мембрани створює на ній різницю потенціалів величиною приблизно в 1/10 вольта. При стимуляції клітини різниця потенціалів падає, це і означає порушення клітини. Клітка не може реагувати на наступний стимул, поки різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою сторонами мембрани не відновиться знову. Цей період «відпочинку» займає кілька тисячних часток секунди, і називається він рефрактерним періодом.
Після порушення клітини імпульс починає поширюватися по нервовому волокну. Поширення імпульсу - це серія послідовних збуджень фрагментів нервового волокна, коли збудження попереднього фрагмента викликає збудження наступного, і так до самого закінчення волокна. Поширення імпульсу відбувається тільки в одному напрямку, оскільки попередній фрагмент, який тільки що був збуджений, повторно збудитися відразу ж не може, так як знаходиться в стадії «відпочинку».
Те, що виникнення і поширення нервового імпульсу обумовлено зміною іонної проникності мембрани нервової клітини, вперше довели британські нейрофізіологи Алан Ллойд Ходжкин і Ендрю Філдінг Хакслі, а також австралійський дослідник Джон Керью Ікклес.

В результаті еволюції нервової системи людини та інших тварин виникли складні інформаційні мережі, процеси в яких засновані на хімічних реакціях. Найважливішим елементом нервової системи є спеціалізовані клітини нейрони. Нейрони складаються з компактного тіла клітини, що містить ядро \u200b\u200bі інші органели. Від цього тіла відходить кілька розгалужених відростків. Більшість таких відростків, званих дендритами, Служать точками контакту для прийому сигналів від інших нейронів. Один відросток, як правило найдовший, називається аксоном і передає сигнали на інші нейрони. Кінець аксона може багаторазово галузитися, і кожна з цих більш дрібних гілок здатна з'єднатися з наступним нейроном.

У зовнішньому шарі аксона знаходиться складна структура, Утворена безліччю молекул, які виступають в ролі каналів, за якими можуть надходити іони - як всередину, так і назовні клітини. Один кінець цих молекул, відхиляючись, приєднується до атому-мішені. Після цього енергія інших частин клітини використовується на те, щоб виштовхнути цей атом за межі клітини, тоді як процес, що діє в зворотному напрямку, вводить усередину клітини іншу молекулу. найбільше значення має молекулярний насос, який виводить з клітки іони натрію і вводить в неї іони калію (натрій-калієвий насос).

Коли клітина знаходиться в спокої і не проводить нервових імпульсів, натрій-калієвий насос переміщує іони калію всередину клітини і виводить іони натрію назовні (уявіть собі клітку, що містить прісну воду і оточену солоною водою). Через такого дисбалансу різниця потенціалів на мембрані аксона досягає 70 мілівольт (приблизно 5% від напруги звичайної батарейки АА).

Однак при зміні стану клітини і стимуляції аксона електричним імпульсом рівновагу на мембрані порушується, і натрій-калієвий насос на короткий час починає працювати у зворотному напрямку. Позитивно заряджені іони натрію проникають всередину аксона, а іони калію відкачуються назовні. На мить внутрішнє середовище аксона здобуває позитивний заряд. При цьому канали натрій-калієвого насоса деформуються, блокуючи подальший приплив натрію, а іони калію продовжують виходити назовні, і вихідна різниця потенціалів відновлюється. Тим часом іони натрію поширюються всередині аксона, змінюючи мембрану в нижній частині аксона. При цьому стан розташованих нижче насосів змінюється, сприяючи подальшому поширенню імпульсу. Різка зміна напруги, викликане стрімкими переміщення іонів натрію і калію, називають потенціалом дії. При проходженні потенціалу дії через певну точку аксона, насоси включаються і відновлюють стан спокою.

Потенціал дії поширюється досить повільно - не більше частки дюйма за секунду. Для того щоб збільшити швидкість передачі імпульсу (оскільки, врешті-решт, не годиться, щоб сигнал, посланий мозком, досягав руки лише через хвилину), аксони оточені оболонкою з мієліну, що перешкоджає притоку і відтоку калію і натрію. Мієлінова оболонка не безперервна - через певні інтервали в ній є розриви, і нервовий імпульс перескакує з одного «вікна» в інше, за рахунок цього швидкість передачі імпульсу зростає.

Коли імпульс досягає кінця основної частини тіла аксона, його необхідно передати або наступного нижчого рівня нейрону, або, якщо мова йде про нейронах головного мозку, по численним відгалуженням багатьох інших нейронів. Для такої передачі використовується абсолютно інший процес, ніж для передачі імпульсу вздовж аксона. Кожен нейрон відділений від свого сусіда невеликий щілиною, званої синапсом. Потенціал дії не може перескочити через цю щілину, тому потрібно знайти якийсь інший спосіб для передачі імпульсу наступного нейрону. В кінці кожного відростка є крихітні мішечки, які називають ( пресинаптичними) бульбашками, В кожному з яких знаходяться особливі з'єднання - нейромедіатори. При надходженні потенціалу дії з цих бульбашок вивільняються молекули нейромедіаторів, що перетинають синапс і приєднуються до специфічних молекулярних рецепторів на мембрані нижележащих нейронів. При приєднанні нейромедіатора рівновагу на мембрані нейрона порушується. Зараз ми розглянемо, чи виникає при такому порушенні рівноваги новий потенціал дії (нейрофізіологи продовжують шукати відповідь на цей важливе питання до сих пір).

Після того як нейромедіатори передадуть нервовий імпульс від одного нейрона на наступний, вони можуть просто дифундувати, і піддатися хімічному розщеплення, або повернутися назад в свої бульбашки (цей процес нескладно називається зворотним захопленням). В кінці XX століття було зроблено разючу наукове відкриття - виявляється, ліки, що впливають на викид і зворотне захоплення нейромедіаторів, можуть докорінно змінювати психічний стан людини. Прозак (Prozac *) і подібні до них антидепресанти блокують зворотне захоплення нейромедіатора серотоніна. Складається враження, що хвороба Паркінсона взаємопов'язана з дефіцитом нейромедіатора допаміну в головному мозку. Дослідники, які вивчають прикордонні стану в психіатрії, намагаються зрозуміти, як ці сполуки впливають на людський розум.

Як і раніше немає відповіді на фундаментальне питання про те, що ж змушує нейрон ініціювати потенціал дії - висловлюючись професійною мовою нейрофізіологів, незрозумілий механізм «запуску» нейрона. В цьому відношенні особливо цікаві нейрони головного мозку, які можуть приймати нейромедіатори, послані тисячею сусідів. Про обробку та інтеграції цих імпульсів майже нічого не відомо, хоча над цією проблемою працюють багато дослідні групи. Нам відомо лише, що в нейроні здійснюється процес інтеграції вступників імпульсів і виноситься рішення, слід чи ні ініціювати потенціал дії і передавати імпульс далі. Цей фундаментальний процес керує функціонуванням всього головного мозку. Не дивно, що ця найбільша загадка природи залишається, принаймні сьогодні, загадкою і для науки!

Нервовий імпульс - це рухома хвиля змін в стані мембрани. Вона включає в себе структурні зміни (відкриття і закриття мембранних іонних каналів), хімічні (змінюються трансмембранні потоки іонів) і електричні (зміни електричного потенціалу мембрани: деполяризацию, позитивну поляризацію і реполяризацию). © 2012-2019 Сазонов В.Ф ..

Можна сказати коротше:

Але в фізіологічної літературі як синонім для нервового імпульсу прийнято використовувати також і термін "потенціал дії". Хоча потенціал дії - це тільки електричний компонент нервового імпульсу.

потенціал дії - це різке стрибкоподібне зміна мембранного потенціалу з негативного на позитивний і назад.

Потенціал дії - це електрична характеристика (електрична складова) нервового імпульсу.

Нервовий імпульс - це складний структурно-електро-хімічний процес, що поширюється по мембрані нейрона у вигляді біжучої хвилі змін.

потенціал дії - це тільки електричний компонент нервового імпульсу, що характеризує зміни електричного заряду (потенціалу) на локальній ділянці мембрани під час проходження через нього нервового імпульсу (від -70 до +30 мВ і назад). (Натисніть на зображення зліва, щоб побачити анімацію.)

Порівняйте два наведених вище малюнка (покликає по ним) і, як то кажуть, відчуйте різницю!

Де народжуються нервові імпульси?

Як не дивно, не всі студенти, які вивчили фізіологію порушення, можуть відповісти на це питання. ((

Хоча відповідь не складний. Нервові імпульси народжуються на нейронах всього в декількох місцях:

1) аксонний горбок (це перехід тіла нейрона в аксон),

2) рецепторное закінчення дендрита,

3) перший перехоплення Ранвье на дендрит (триггерная зона дендрита),

4) постсинаптична мембрана збудливого синапсу.

Місця виникнення нервових імпульсів:

1. Аксоплазматичний горбок - головний породітель нервових імпульсів.

Аксоплазматичний горбок - це самий початок аксона, там де він починається на тілі нейрона. Саме аксонний горбок є головним породітель (генератором) нервових імпульсів на нейроні. У всіх інших місцях ймовірність народження нервового імпульсу набагато менше. Справа в тому, що у мембрани аксонного горбка підвищена чутливість до порушення і знижений критичний рівень деполяризації (КУД) в порівнянні з іншими ділянками мембрани. Тому, коли на мембрані нейрона починають підсумовуватися численні збуджуючі постсинаптичні потенціали (ВПСП), які виникають в самих різних місцях на постсинаптичних мембранах всіх його синаптичних контактів, то раніше всього КУД досягається саме на аксони пагорбі. Там-то ця сверхпороговое для горбка деполяризация і відкриває потенціал-чутливі натрієві канали, в які входить потік іонів натрію, який породжує потенціал дії і нервовий імпульс.

Отже, аксонний горбок є інтегративної зоною на мембрані, він інтегрує всі виникаючі на нейроні локальні потенціали (збуджуючі і гальмівні) - і перший спрацьовує на досягнення КУД, породжуючи нервовий імпульс.

Важливо також врахувати такий факт. Від аксонного горбка нервовий імпульс розбігається по всій мембрані свого нейрона: як по аксону до пресінаптіческоім закінченнях, так і по дендритам до постсинаптическим "починанням". Всі локальні потенціали при цьому знімаються з мембрани нейрона і з усіх його синапсів, тому що вони "перебиваються" потенціалом дії від пробігає по всій мембрані нервового імпульсу.

2. Рецепторное закінчення чутливого (аферентного) нейрона.

Якщо нейрон має рецепторное закінчення, то на нього може впливати адекватний подразник і породжувати на цьому закінчення спочатку генераторний потенціал, а потім і нервовий імпульс. Коли генераторний потенціал досягає КУД, то на цьому закінчення відкриваються потенціал-залежні натрієві іонні канали та народжується потенціал дії і нервовий імпульс. Нервовий імпульс біжить по дендрити до тіла нейрона, а потім по його аксону до пресинаптическим закінченнях для передачі збудження на наступний нейрон. Так працюють, наприклад, больові рецептори (ноцицепторах), що є дендритними закінченнями больових нейронів. Нервові імпульси в больових нейронах вознімают саме на рецепторних закінченнях дендритів.

3. Перший перехоплення Ранвье на дендрит (триггерная зона дендрита).

Локальні збуджуючі постсинаптичні потенціали (ВПСП) на закінченнях дендрита, які формуються у відповідь на порушення, які надходять до дендритів через синапси, підсумовуються на першому перехоплення Ранвье цього дендрита, якщо він, звичайно, міелінізірованних. Там знаходиться ділянка мембрани з підвищеною чутливістю до порушення (зниженим порогом), тому саме в цій ділянці найлегше долається критичний рівень деполяризації (КУД), після чого відкриваються потенціал-керовані іонні канали для натрію - і виникає потенціал дії (нервовий імпульс).

4. Постсинаптическая мембрана збудливого синапсу.

У рідкісних випадках ВПСП на збудливу синапсі може бути настільки сильний, що прямо там же досягає КУД і породжує нервовий імпульс. Але частіше це буває можливо тільки в результаті сумації декількох ВПСП: або з декількох сусідніх синапсів, що спрацювали одночасно (просторова сумація), або за рахунок того, що на даний синапс прийшло кілька імпульсів підряд (тимчасова сумація).

Відео:Проведення нервового імпульсу по нервовому волокну

Потенціал дії як нервовий імпульс

Нижче розміщений матеріал, взятий з навчально-методичного посібника автора даного сайту, на який цілком можна посилатися в своєму списку літератури:

Сазонов В.Ф. Поняття і види гальмування в фізіології центральної нервової системи: Навчально-методичний посібник. Ч. 1. Рязань: РГПУ, 2004. 80 с.

Всі процеси мембранних змін, що відбуваються в ході поширюється збудження, достатньо добре вивчені і описані в науковій і навчальній літературі. Але не завжди це опис легко зрозуміти, оскільки в даному процесі задіяно занадто багато компонентів (з точки зору звичайного студента, а не вундеркінда, звичайно).

Для полегшення розуміння ми пропонуємо розглядати єдиний електрохімічний процес поширюється динамічного збудження з трьох сторін, на трьох рівнях:

Електричні явища - розвиток потенціалу дії.

Хімічні явища - рух іонних потоків.

Структурні явища - поведінка іонних каналів.

Три сторони процесу поширюється збудження

1. Потенціал дії (ПД)

потенціал дії - це стрибкоподібне зміна постійного мембранного потенціалу з негативною поляризації на позитивну і назад.

Зазвичай мембранний потенціал в нейронах ЦНС змінюється від -70 мВ до +30 мВ, а потім знову повертається до вихідного стану, тобто до -70 мВ. Як бачимо, поняття потенціалу дії характеризується через електричні явища на мембрані.

На електричному рівні зміни починаються як зміна поляризованого стану мембрани на деполяризацію. Спочатку деполяризация йде у вигляді локального збудливого потенціалу. Аж до критичного рівня деполяризації (приблизно -50 мВ) це відносно просте лінійне зменшення електронегативності, пропорційне силі впливає подразника. А ось потім починається більш крутасамопосилюється деполяризация, вона розвивається не з постійною швидкістю, аз прискоренням . Говорячи образно, деполяризация так розганяється, що перескакує через нульову позначку, не помітивши цього, і навіть переходить в позитивну поляризацію. Після досягнення піку (зазвичай +30 мВ) починається зворотний процес -реполяризация , Тобто відновлення негативної поляризації мембрани.

Коротко опишемо електричні явища під час перебігу потенціалу дії:

Висхідна гілка графіка:

потенціал спокою - вихідне звичайне поляризоване електронний торгівельний стан мембрани (-70 мВ);

наростаючий локальний потенціал - пропорційна подразника деполяризация;

критичний рівень деполяризації (-50 мВ) - різке прискорення деполяризації (за рахунок саморозкриття натрієвих каналів), з цієї точки починається спайк - високоамплітудними частина потенціалу дії;

самопосилюється круто наростаюча деполяризация;

перехід нульової позначки (0 мВ) - зміна полярності мембрани;

«Овершут» - позитивна поляризація (інверсія, або реверсія, заряду мембрани);

пік (+30 мВ) - вершина процесу зміни полярності мембрани, вершина потенціалу дії.

Низхідна гілка графіка:

реполяризация - відновлення колишньої електронегативності мембрани;

перехід нульової позначки (0 мВ) - зворотна зміна полярності мембрани на колишню, негативну;

перехід критичного рівня деполяризації (-50 мВ) - припинення фази відносної рефрактерності (невозбудимости) і повернення збудливості;

слідові процеси (слідові деполяризация або следовая гиперполяризация);

відновлення потенціалу спокою - норма (-70 мВ).

Отже, спочатку - деполяризація, потім - реполяризация. Спочатку - втрата електронегативності, потім - відновлення електронегативності.

2. Іонні потоки

Образно можна сказати, що заряджені іони - це і є творці електричних потенціалів в нервових клітинах. Для багатьох людей звучить дивно твердження, що вода не проводить електричний струм. Але насправді це так. Сама по собі вода є діелектриком, а не провідником. У воді електричний струм забезпечують не електрони, як в металевих дротах, а заряджені іони: позитивні катіони і негативні аніони. У живих клітинах основну «електричну роботу» виконують катіони, так як вони більш рухливі. Електричні струми в клітинах - це потоки іонів.

Отже, важливо усвідомити, що всі електричні струми, які йдуть через мембрану, єіонними потоками . Звичного нам з фізики струму у вигляді потоку електронів в клітинах, як у водних системах, просто немає. Посилання на потоки електронів будуть помилкою.

На хімічному рівні ми, описуючи розповсюджується збудження, повинні розглянути, як змінюються характеристики іонних потоків, що йдуть через мембрану. Головне в цьому процесі те, що при деполяризації різко посилюється потік іонів натрію всередину клітини, а потім він раптово припиняється на спайці потенціалу дії. Вхідний потік натрію якраз і викликає деполяризацію, так як іони натрію приносять з собою позитивні заряди в клітку (чим і знижують електронний торгівельний). Потім, після спайка, значно наростає виходить назовні потік іонів калію, що викликає реполяризацию. Адже калій, як ми неодноразово говорили, виносить з собою з клітки позитивні заряди. Негативні заряди залишаються всередині клітини в більшості, і за рахунок цього посилюється електронний торгівельний. Це і є відновлення поляризації за рахунок виходить потоку іонів калію. Зауважимо, що виходить потік іонів калію виникає практично одночасно з появою натрієвого потоку, але наростає повільно і триває в 10 разів довше. Незважаючи на тривалість калієвого потоку самих іонів витрачається трохи - всього одна мільйонна частка від запасу калію в клітці (0,000001 частина).

Підведемо підсумки. Висхідна гілка графіка потенціалу дії утворюється за рахунок входу в клітину іонів натрію, а спадна - за рахунок виходу з клітини іонів калію.

3. Іонні канали

Всі три сторони процесу збудження - електрична, хімічна і структурна - необхідні для розуміння його сутності. Але все-таки все починається з роботи іонних каналів. Саме стан іонних каналів зумовлює поведінку іонів, а поведінка іонів в свою чергу супроводжується електричними явищами. Починають процес збудженнянатрієві канали .

На молекулярно-структурному рівні відбувається відкриття мембранних натрієвих каналів. Спочатку цей процес йде пропорційно силі зовнішнього впливу, а потім стає просто «нестримним» і масовим. Відкриття каналів забезпечує вхід натрію в клітку і викликає деполяризацію. Потім, приблизно через 2-5 мілісекунд, відбувається їхавтоматичне закриття . Це закриття каналів різко обриває рух іонів натрію всередину клітини, і, отже, обриває наростання електричного потенціалу. Зростання потенціалу припиняється, і на графіку ми бачимо спайк. Це вершина кривої на графіку, далі процес піде вже в зворотному напрямку. Звичайно, дуже цікаво розібратися в тому, що натрієві канали мають двоє воріт, і відкриваються вони активаційними воротами, а закриваються інактіваціоннимі, але це слід обговорювати раніше, в темі «Порушення». Ми на цьому зупинятися не будемо.

Паралельно в відкриттям натрієвих каналів з невеликим відставанням у часі йде наростаюче відкриття калієвих каналів. Вони повільні в порівнянні з натрієвими. Відкриття додаткових калієвих каналів підсилює вихід позитивних іонів калію з клітки. Вихід калію протидіє «натрієвої» деполяризації і викликає відновлення полярності (відновлення електронегативності). Але натрієві канали випереджають калієві, вони спрацьовують приблизно в 10 разів швидше. Тому вхідний потік позитивних іонів натрію в клітину випереджає компенсуючий вихід іонів калію. І тому деполяризация розвивається випереджаючими темпами в порівнянні з протидіє їй поляризацією, викликаної витоком іонів калію. Ось чому, поки натрієві канали не закриються, відновлення поляризації не почнеться.

Пожежа як метафора поширюється збудження

Для того щоб перейти до розуміння сенсудинамічного процесу збудження, тобто до розуміння його поширення уздовж мембрани, треба уявити собі, що описані нами вище процеси захоплюють спочатку найближчі, а потім все нові, все більш і більш віддалені ділянки мембрани, поки не пробіжать по всій мембрані повністю. Якщо ви бачили «живу хвилю», яку влаштовують уболівальники на стадіоні за рахунок вставання і присідання, то вам легко буде уявити собі мембранну хвилю збудження, яка утворюється за рахунок послідовного протікання в сусідніх ділянках трансмембранних іонних струмів.

Коли ми шукали подібний приклад, аналогію або метафору, яка може наочно передати сенс поширюється збудження, то зупинилися на образі пожежі. Дійсно, розповсюджується збудження схоже на лісову пожежу, коли палаючі дерева залишаються на місці, а фронт вогню поширюється і йде все далі і далі в різні боки від вогнища загоряння.

Як же в цій метафорі буде виглядати явище гальмування?

Відповідь очевидна - гальмування буде виглядати як гасіння пожежі, як зменшення горіння і загасання вогню. Але якщо вогонь поширюється сам по собі, то гасіння вимагає зусиль. З погашеної ділянки процес гасіння сам по собі не піде на всі боки.

Існує три варіанти боротьби з пожежею: (1) або треба чекати, коли все згорить і вогонь виснажить все горючі запаси, (2) або треба поливати водою палаючі ділянки, щоб вони погасли, (3) або треба поливати заздалегідь найближчі незаймані вогнем ділянки, щоб вони не загорілися.

Чи можна «погасити» хвилю поширюється збудження?

Навряд чи нервова клітина здатна «погасити» цей почався «пожежа» збудження. Тому перший спосіб підходить тільки для штучного втручання в роботу нейронів (наприклад, в лікувальних цілях). Але ось «залити водою» деякі ділянки і поставити блок поширенню збудження, виявляється, цілком можливо.

Автохвиль В АКТИВНО-ЗБУДЛИВИХ середовищах (АВС)

При поширенні хвилі в активно-збудливих середовищах не відбувається перенесення енергії. Енергія не переноситься, а звільняється, коли до ділянки АВС доходить збудження. Можна провести аналогію з серією вибухів зарядів, закладених на деякій відстані один від одного (наприклад, при гасінні лісових пожеж, будівництві, меліоративних роботах), коли вибух одного заряду викликає вибух поруч розташованого і так далі. Лісова пожежа також є прикладом поширення хвилі в активно- збудливою середовищі. Полум'я розповсюджується по області з розподіленими запасами енергії - дерева, хмиз, сухий мох.

Основні властивості хвиль, що поширюються в активно-збудливих середовищах (АВС)

Хвиля збудження поширюється в АВС без загасання; проходження хвилі збудження пов'язане з рефрактерностью - невозбудімості середовища протягом певного проміжку часу (періоду рефрактерності).

Кандидат біологічних наук Л. Чайлахян, науковий співробітник Інституту біофізики АН СРСР

Читачка журналу Л. Горбунова (село Цибін, Московської області) пише нам: «Мене цікавить механізм, передачі сигналів по нервових, клітин».

Лауреати Нобелівської премії 1963 роки (зліва направо): А. Ходжкин, Е. Хакслі, Д. Екклс.

Уявлення вчених про механізм передачі нервового імпульсу зазнали в останнім часом суттєва зміна. До недавнього часу в науці панували погляди Бернштейна.

Мозок людини, без сумніву, найвище досягнення природи. У кілограмі нервової тканини укладена квінтесенція всього людини, починаючи від регуляції життєвих функцій - роботи серця, легенів, травного тракту, печінки - і кінчаючи його духовним світом. Тут - наші розумові здібності, все наше світовідчуття, пам'ять, розум, наше самосвідомість, наше «я». Пізнання механізмів роботи мозку - це пізнання самого себе.

Велика і приваблива мета, але неймовірно складний об'єкт дослідження. Жарт сказати, цей кілограм тканини являє собою складну систему зв'язку десятків мільярдів нервових клітин.

Однак перший суттєвий крок до пізнання роботи мозку вже зроблений. Може бути, він один з найлегших, але він надзвичайно важливий для всього подальшого.

Я маю на увазі дослідження механізму передачі нервових імпульсів - сигналів, що біжать по нервах, як по проводах. Саме ці сигнали є тією азбукою мозку, за допомогою якої органи чуття посилають в центральну нервову систему відомості-депеші про події у зовнішньому світі. Нервовими імпульсами зашифровує мозок свої накази м'язам і різним внутрішнім органам. Нарешті, на мові цих сигналів говорять між собою окремі нервові клітини і нервові центри.

Нервові клітини - основний елемент мозку - різноманітні за величиною, за формою, але в принципі мають спільний будовою. Кожна нервова клітина складається з трьох частин: з тіла, довгого нервового волокна - аксона (довжина його у людини від декількох міліметрів до метра) і декількох коротких гіллястих відростків - дендритів. Нервові клітини ізольовані один від одного оболонками. Але все ж клітини взаємодіють між собою. Відбувається це в місці стику клітин; цей стик називається «синапс». У синапсі зустрічаються аксон однієї нервової клітини і тіло або дендрит іншої клітини. Причому цікаво, що порушення може передаватися тільки і одному напрямку: від аксона до тіла або дендритів, але ні в якому разі не навпаки. Синапс - це як би кенотрон: він пропускає сигнали тільки в одному напрямку.

У проблемі вивчення механізму нервового імпульсу і його поширення можна виділити два основних питання: природа проведення нервового імпульсу або збудження в межах однієї клітини - по волокну і механізм передачі нервового імпульсу від клітини до клітини - через синапси.

Яка природа сигналів, які передаються від клітини до клітини по нервових волокнах?

Цією проблемою людина цікавився вже давно, Декарт припускав, що поширення сигналу пов'язано з переливанням рідини по нервах, як по трубках. Ньютон думав, що це чисто механічний процес. Коли з'явилася електромагнітна теорія, вчені вирішили, що нервовий імпульс аналогічний руху струму по провіднику зі швидкістю, близькою до швидкості поширення електромагнітних коливань. Нарешті, з розвитком біохімії з'явилася точка зору, що рух нервового імпульсу - це поширення уздовж по нервовому волокну особливої \u200b\u200bбіохімічної реакції.

І все ж жодне з цих уявлень не справдилося.

В даний час природа нервового імпульсу розкрита: це дивно тонкий електрохімічний процес, в основі якого лежить переміщення іонів через оболонку клітини.

Великий внесок у розкриття цієї природи внесли роботи трьох вчених: Алана Ходжкіна, професора біофізики Кембриджського університету; Ендрю Хакслі, професора фізіології Лондонського університету, і Джона Екклса, професора фізіології австралійського університету в Канберрі. Їм присуджена Нобелівська премія в галузі медицини за 1963 рік,

Вперше припущення про електрохімічної природі нервового імпульсу висловив відомий німецький фізіолог Бернштейн на початку нашого століття.

До початку двадцятого століття було досить багато відомо про нервовому збудженні. Вчені вже знали, що нервове волокно можна порушити електричним струмом, причому збудження завжди виникає під катодом - під мінусом. Було відомо, що збуджена область нерва заряджається негативно по відношенню до непорушення ділянці. Було встановлено, що нервовий імпульс в кожній точці триває всього 0,001-0,002 секунди, що величина збудження не залежить від сили подразнення, як гучність дзвінка в нашій квартирі не залежить від того, як сильно ми натискаємо на кнопку. Нарешті, вчені встановили, що носіями електричного струму в живих тканинах є іони; причому всередині клітини основний електроліт - солі калію, а в тканинної рідини - солі натрію. Усередині більшості клітин концентрація іонів калію в 30-50 разів більше, ніж в крові і в міжклітинної рідини, що омиває клітини.

І ось на підставі всіх цих даних Бернштейн припустив, що оболонка нервових і м'язових клітин є особливою напівпроникну мембрану. Вона проникна тільки для іонів К +; для всіх інших іонів, в тому числі і для знаходяться всередині клітини негативно заряджених аніонів, дорога закрита. Ясно, що калій за законами дифузії буде прагнути вийти з клітки, в клітці виникає надлишок аніонів, і по обидва боки мембрани з'явиться різниця потенціалів: зовні - плюс (надлишок катіонів), всередині - мінус (надлишок аніонів). Ця різниця потенціалів отримала назву потенціалу спокою. Таким чином, в спокої, в збудженому стані внутрішня частина клітини завжди заряджена негативно в порівнянні з зовнішнім розчином.

Бернштейн припустив, що в момент порушення нервового волокна відбуваються структурні зміни поверхневої мембрани, її пори як би збільшуються, і вона стає проникною для всіх іонів. При цьому, природно, різниця потенціалів зникає. Це і викликає нервовий сигнал.

Мембранна теорія Бернштейма швидко завоювала визнання і проіснувала понад 40 років, аж до середини нашого століття.

Але вже в кінці 30-х років теорія Бернштейна зустрілася з непереборними протиріччями. Сильний удар їй було завдано в 1939 році тонкими експериментами Ходжкіна і Хакслі. Ці вчені вперше виміряли абсолютні величини мембранного потенціалу нервового волокна в спокої і при збудженні. Виявилося, що при порушенні мембранний потенціал не просто зменшувався до нуля, а переходив через нуль на кілька десятків мілівольт. Тобто внутрішня частина волокна з негативною ставала позитивною.

Але мало повалити теорію, треба замінити її іншою: наука не терпить вакууму. І Ходжкин, Хакслі, Катц в 1949-1953 роках пропонують нову теорію. Вона отримує назву натрієвої.

Тут читач має право здивуватися: до сих пір про натрії не було мови. У цьому й річ. Вчені встановили за допомогою мічених атомів, що в передачі нервового імпульсу замішані не тільки іони калію і аніони, а й іони натрію і хлору.

В організмі достатньо іонів натрію і хлору, всі знають, що кров солона на смак. Причому натрію в міжклітинної рідини в 5-10 разів більше, ніж усередині нервового волокна.

Що ж це може означати? Вчені припустили, що при порушенні в перший момент різко збільшується проникність мембрани тільки для натрію. Проникність стає в десятки разів більше, ніж для іонів калію. А так як натрію зовні в 5-10 рез більше, ніж усередині, то він буде прагнути увійти в нервове волокно. І тоді внутрішня частина волокна стане позитивною.

А через якийсь час - після порушення - рівновагу відновлюється: мембрана починає пропускати і іони калію. І вони виходять назовні. Тим самим вони компенсують той позитивний заряд, який був внесений всередину волокна іонами натрію.

Зовсім нелегко було прийти до таких уявленням. І ось чому: діаметр іона натрію в розчині рази в півтора більше діаметра іонів калію і хлору. І зовсім незрозуміло, яким чином більший за розміром іон проходить там, де не може пройти менший.

Потрібно було рішуче змінити погляд на механізм переходу іонів через мембрани. Ясно, що тільки міркуваннями про порах в мембрані тут не обійтися. І тоді була висловлена \u200b\u200bідея, що іони можуть перетинати мембрану абсолютно іншим способом, за допомогою таємних до пори до часу союзників - особливих органічних молекул-переносників, захованих в самій мембрані. За допомогою такої молекули іони можуть перетинати мембрану в будь-якому місці, а не тільки через пори. Причому ці молекули-таксі добре розрізняють своїх пасажирів, вони не плутають іони натрію з іонами калію.

Тоді загальна картина поширення нервового імпульсу матиме такий вигляд. У спокої молекули-переносники, заряджені негативно, мембранним потенціалом притиснуті до зовнішньої кордоні мембрани. Тому проникність для натрію дуже мала: в 10-20 разів менше, ніж для іонів калію. Калій може перетинати мембрану через пори. При наближенні хвилі збудження зменшується тиск електричного поля на молекули-переносники; вони скидають свої електростатичні «кайдани» і починають переносити іони натрію всередину клітини. Це ще більше зменшує мембранний потенціал. Йде як би ланцюгової процес перезарядки мембрани. І цей процес безперервно поширюється уздовж нервового волокна.

Цікаво, що нервові волокна витрачають на свою основну роботу - проведення нервових імпульсів - всього близько 15 хвилин на добу. Однак готові до цього волокна в будь-яку секунду: всі елементи нервового волокна працюють без перерви - 24 години на добу. Нервові волокна в цьому сенсі подібні літакам-перехоплювачів, у яких безперервно працюють мотори для миттєвого вильоту, проте сам виліт може відбутися лише раз в кілька місяців.

Ми познайомилися зараз з першою половиною таємничого акту проходження нервового імпульсу - уздовж одного волокна. А як же передається збудження від клітини до клітини, через місця стиків - синапси. Це питання було досліджено в блискучих дослідах третього нобелівського лауреата, Джона Екклса.

Порушення не може безпосередньо перейти з нервових закінчень однієї клітини на тіло або дендрити іншого клітини. Практично весь струм випливає через синаптичну щілину в зовнішню рідина, і в сусідню клітку через синапс потрапляє незначна його частка, нездатна викликати збудження. Таким чином, в області синапсів електрична безперервність в поширенні нервового імпульсу порушується. Тут, на стику двох клітин, в силу вступає зовсім інший механізм.

Коли збудження підходить до закінчення клітини, до місця синапсу, в міжклітинну рідину виділяються фізіологічно активні речовини - медіатори, або посередники. Вони стають сполучною ланкою в передачі інформації від клітини до клітини. Медіатор хімічно взаємодіє з другої нервової клітиною, змінює іонну проникність її мембрани - як би пробиває пролом, в яку спрямовуються багато іони, в тому числі і іони натрію.

Отже, завдяки роботам Ходжкіна, Хакслі і Екклса найважливіші стану нервової клітини - збудження і гальмування - можна описати в термінах іонних процесів, в термінах структурно-хімічних перебудов поверхневих мембран. На підставі цих робіт вже можна робити припущення про можливі механізми короткочасної і довготривалої пам'яті, про пластичні властивості нервової тканини. Однак це розмова про механізми в межах однієї або декількох клітин. Це лише, азбука мозку. Мабуть, наступний етап, можливо, набагато важчий, - розтин законів, за якими будується координує діяльність тисяч нервових клітин, розпізнання мови, якою розмовляють між собою нервові центри.

Ми зараз в пізнанні роботи мозку знаходимося на рівні дитини, який дізнався букви алфавіту, але не вміє пов'язувати їх в слова. Однак недалеко час, коли вчені за допомогою коду - елементарних біохімічних актів, що відбуваються в нервовій клітині, прочитають захоплюючий діалог між нервовими центрами мозку.

Детальний опис ілюстрацій

Уявлення вчених про механізм передачі нервового імпульсу зазнали останнім часом суттєва зміна. До недавнього часу в науці панували погляди Бернштейна. На його думку, в стані спокою (1) нервове волокно заряджена позитивно зовні і негативно всередині. Це пояснювалося тим, що крізь пори в стінці волокна можуть проходити тільки позитивно заряджені іони калію (К +); великі за розмірами негативно вбрані аніони (А -) змушені залишатися всередині і створювати надлишок негативних зарядів. Порушення (3) по Бернштейна зводиться до зникнення різниці потенціалів, яке викликається тим, що розмір пор збільшується, аніони виходять назовні і вирівнюють іонний баланс: кількість позитивних іонів стає рівною кількості негативних. Робота лауреатів Нобелівської премії 1963 року О. Ходжкпна, Е. Хакслі і Д. Екклса змінила наші колишні уявлення. Доведено, що в нервовому збудженні беруть участь також позитивні іони натрію (Na +), негативні нони хлору (Сl -) і негативно заряджені молекули-переносники. Покоїться стан (3) утворюється в принципі так само, як і вважалося раніше: надлишок позитивних іонів - зовні нервового волокна, надлишок негативних - всередині. Однак встановлено, що при порушенні (4) відбувається не вирівнювання зарядів, а перезарядка: зовні утворюється надлишок негативних іонів, а всередині - надлишок позитивних. Пояснюється це тим, що при порушенні молекули-переносники починають перевозити крізь стінку позитивні іони натрію. Таким чином, нервовий імпульс (5) - це переміщається уздовж волокна перезарядка подвійного електричного шару. А від клітини до клітини збудження передається своєрідним хімічним «тараном» (6) - молекулою ацетилхоліну, яка допомагає іонів прориватися крізь стінку сусіднього нервового волокна.

Нейрони повідомляються між собою за допомогою «нервових повідомлень». Ці «повідомлення» схожі на електричний струм, який біжить по дротах. Іноді, при передачі від одного нейрона до іншого, ці імпульси перетворюються в хімічні повідомлення.

нервові імпульси

Інформація передається між нейронами подібно до електричного струму в проводах. Ці повідомлення закодовані: вони являють собою послідовність абсолютно однакових імпульсів. Сам код криється в їх частоті, тобто в числі імпульсів в секунду. Імпульси передаються від клітини до клітини, від дендрита, в якому вони виникають, до аксону, через який вони проходять. Але є й відмінність від електричних мереж - імпульси передаються не за допомогою електронів *, а за допомогою більш складних частинок - іонів.

Медикаменти, що впливають на швидкість імпульсів

Існує безліч хімічних препаратів, здатних змінити характеристики передачі нервових імпульсів. Як правило, вони діють на синаптическом рівні. Анестетики і транквілізатори уповільнюють, а іноді і взагалі пригнічують передачу імпульсів. А антидепресанти та стимулятори, такі як кофеїн, навпаки сприяють кращій їх передачі.

З величезною швидкістю

Нервові імпульси повинні швидко проходити по тілу. Прискорити їх проходження нейронам допомагають оточуючі їх гліальні клітини. Вони утворюють оболонку нервового волокна, звану миелиновой. В результаті імпульси йдуть із запаморочливою швидкістю - понад 400 км / год.

хімічні зв'язку

Передані від нейрона до нейрона повідомлення повинні перетворюватися з електричної в хімічну форму. Це пов'язано з тим, що, незважаючи на свою численність, нейрони ніколи не стикаються між собою. Але електричні імпульси не можуть передаватися, якщо немає фізичного контакту. Тому нейрони використовують для зв'язку між собою спеціальну систему, яка називається синапсами. У цих місцях нейрони розділені вузьким простором синаптичної щілиною. Коли електричний імпульс приходить до першого нейрона, він вивільняє з синапсу хімічні молекули, Так звані нейромедіатори. Ці речовини, що виробляються нейронами, переміщаються через синаптичну щілину і потрапляють на спеціально призначені для них рецептори іншого нейрона. В результаті виникає ще один електричний імпульс.

Імпульс між нейронами проходить менше, ніж за тисячну секунди.

Різниця нейро-медіаторів

Мозком виробляється близько півсотні нейромедіаторів, які можна поділити на дві групи. Перша складається з тих, що ініціюють виникнення нервового імпульсу, - їх називають збудливими. Інші, навпаки, уповільнюють його виникнення - це гальмують нейромедіатори. Варто відзначити, що в більшості випадків нейрон виділяє тільки один тип нейромедіаторів. І в залежності від того, чи є він збудливим або гальмують, нейрон по-різному впливає на сусідні нервові клітини.

штучна стимуляція

Окремий нейрон або групу нейронів можливо стимулювати штучно за допомогою введених в них електродів, що направляють електричні імпульси у точно визначені зони мозку. Цей метод іноді використовують в медицині, зокрема для лікування хворих страждають на хворобу Паркінсона Ця виявляється в літньому віці хвороба супроводжується тремтінням кінцівок. Це тремтіння може бути зупинено шляхом постійної стимуляції конкретної зони мозку.

Нейрон - мікрокомп'ютер

Кожен з нейронів здатний приймати сотні повідомлень в секунду. І, щоб не опинитися перевантаженим інформацією, він повинен вміти оцінювати рівень її значущості і робити її попередній аналіз. Ця обчислювальна діяльність відбувається всередині клітини. Там складаються збуджуючі і віднімаються гальмують імпульси. І, для того щоб нейрон згенерував власний імпульс, необхідно, щоб сума попередніх виявилася більше певного значення. Якщо складання збуджуючих і гальмуючих імпульсів не перевищить цю межу, нейрон буде «мовчати».

Інформаційні дороги

У всьому цьому хитросплетінні нейронів існують прекрасно позначені шляху. Схожі ідеї, схожі спогади проходять, приводячи завжди в дію одні і ті ж нейрони і синапси. До сих пір невідомо, як виникають і підтримуються ці, подібні контурам електронних схем зв'язку, але очевидно, що вони існують і що, чим вони міцніші, тим вони ефективніше. Часто використовувані синапси працюють швидше. Цим і пояснюється те, чому ми швидше згадуємо речі, які ми бачили або повторювали кілька разів. Однак ці зв'язки виникають не назавжди. Деякі з них можуть зникнути, якщо їх недостатньо використовували, а на їх місці виникнути нові. При необхідності нейрони завжди здатні створювати нові зв'язки.

Маленькі зелені точки на фото - гормони всередині кровоносних судин

хімічний допінг

Коли говорять, що спортсмен використовував гормональний допінг, це означає, що він брав гормони або у вигляді таблеток, або вводячи їх безпосередньо в кров. Гормони бувають природними або штучними. Найпоширеніші - гормони росту і стероїди, за рахунок яких м'язи стають більше і сильніше, а також еритропоетин - гормон, що прискорює доставку поживних речовин до м'язів.

Мозок здатний виробляти мільйони операцій за частки секунди.

На мозок працюють гормони

Для обміну інформацією мозком використовується і інший інструмент - гормони. ці хімічні сполуки частково виробляються самим мозком в групі нейронів, розташованих в гіпоталамусі. Ці гормони контролюють виробництво інших, що виробляються в інших частинах тіла в ендокринних залозах. Вони діють інакше, ніж нейромедіатори, які фіксуються безпосередньо на нейронах і переносяться з кров'ю до віддалених від мозку органам тіла, таким як груди, яєчники, чоловічі насінники, нирки. Закріплені на їх рецепторах, гормони викликають різні фізіологічні реакції. Вони, наприклад, сприяють росту кісток і м'язів, управляють почуттям голоду і спраги і, звичайно, впливають на сексуальну активність.