ФІЗІОЛОГІЯ ЯК НАУКА.

БІОЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА В ЗБУДЛИВИХ ТКАНИНАХ.

ФІЗІОЛОГІЯ МІЖНЕЙРОННИХ ЗВ’ЯЗКІВ.

Фізіологія – наука про закономірності життєдіяльності організму у взаємозв'язку із зовнішнім середовищем.

Розрізняють такі фізіологічні дисципліни:

1. Вікова фізіологія – вивчає вікові особливості формування і згасання функцій органів, систем і організму людини від моменту народження до припинення його індивідуального розвитку.

2. Клінічна фізіологія – в її рамках вивчається роль і характер змін фізіологічних процесів в організмі людини при різних патологічних станах.

3. Фізіологія праці – вивчає протікання фізіологічних процесів під час трудової діяльності людини з метою обґрунтування шляхів і засобів організації праці, які б сприяли тривалому підтримуванню на високому рівні працездатності.

4. Психофізіологія – вивчає зміни фізіологічних функцій, які супроводжують психічні процеси сприйняття, запам'ятовування, мислення, емоції та інші.

5. Екологічна фізіологія – вивчає особливості життєдіяльності людини в залежності від клімато-географічних умов і конкретного середовища проживання.

6. Фізіологія спорту.

7. Авіаційна фізіологія.

8. Космічна фізіологія.

9. Патологічна фізіологія.

Взаємозв'язок фізіології з іншими науками. Фізіологія для вивчення тих чи інших функцій враховує закони фізики і хімії та використовує їх методи. Причиною цього є те, що всі життєві процеси супроводжуються фізичними і хімічними перетвореннями. Тому у фізіології набули важливого значення два напрями фізіологічних досліджень – фізичний і хімічний. Ці напрямки нагромадили великий фактичний матеріал, виявили закономірності протікання фізичних і хімічних процесів в організмі, розробили спеціальні методи і технічні прийоми їх вивчення. На цій основі фізичний і хімічний напрямки досліджень життєвих явищ перетворились у самостійні наукові дисципліни – біологічну фізику і біологічну хімію.

Однією з важливих гілок біофізики є електрофізіологія, що вивчає електричні явища в організмі, які супроводжують процеси збудження.

Фізіологія тісно зв'язана з морфологічними науками – анатомією, гістологією. Це обумовлено тим, що морфологічні і фізіологічні явища нероздільні, структура і функції взаємообумовлені.

Фізіологія опирається також на біологію, ембріологію.

Зв'язана фізіологія і з медичними дисциплінами. Визнано, що вона є теоретичною основою медицини. Зрозуміти порушення функцій, що має місце при різних захворюваннях, як їх відновити фармакологічними засобами можна тільки при знанні закономірностей життєдіяльності здорового організму. Досягнення фізіології використовуються для проведення профілактики (попереджувальних) захворювань, реабілітаційних (відновних) заходів.

Клінічна медицина дає фізіології надзвичайно багато цінного матеріалу. Вивчення різних захворювань людини сприяє розкриттю механізмів багатьох фізіологічних процесів і виясненню функцій органів.

Методи фізіології. Фізіологія, як будь-яка інша наука, має свої методи (мал. 1). Протягом тисячоліть для вивчення здорового і хворого організму використовується такий метод, як просте, пасивне спостереження без втручання в перебіг життєвих процесів. При цьому звертають увагу на зовнішній вигляд, поведінку та ін.

Мал. 1. Методи фізіології

Основним методом пізнання закономірностей життєдіяльності організмів у фізіології є експеримент (активне втручання в процеси життєдіяльності організму тварини з метою їх вивчення). Розрізняють такі форми проведення фізіологічного експерименту: гострий і хронічний.

У гострому експерименті у тварин, які знаходяться під наркозом, проводять одноразове подразнення органів і тканин, відведення біопотенціалів від них та ін. Хронічні експерименти дозволяють повторити дослідження на одному живому об'єкті. У хронічних експериментах використовують накладання фістул, пересадку різних органів, вживлення електродів та ін.

Обстеження є методом активного отримання інформації про життєдіяльність людського організму. Експеримент не має абсолютного значення, а його результати не можуть переноситися повністю на людину. Обстеження людей часто відкривають такі сторони регуляції функцій, які відсутні у тварин. Для обстеження людей використовують електрокардіографію, електроенцефалографію, електроміографію та ін.

Використовується також моделювання, наприклад, кібернетичне, математичне. Цей метод передбачає створення моделей органів і систем (апарат штучного кровообігу, штучна нирка та ін.).

Мембранний потенціал спокою у нервових клітинах. Будь-яка нервова клітина організму обмежена ліпопротеїновою мембраною, яка є добрим електричним ізолятором. Якщо в середину клітини ввести мікроелектрод, а другий розмістити ззовні, то між мікроелектродами можна зареєструвати різницю потенціалів (мал. 2). Відомо, що електричний потенціал – це величина, що дає силову характеристику електричного поля. Отже, клітинна мембрана поляризована, тобто має різний біоелектричний потенціал на внутрішній і зовнішній поверхні. Ця різниця потенціалів має назву мембранного потенціалу спокою.

Мал. 2. Реєстрація мембранного потенціалу спокою нейрона

Таким чином, мембранний потенціал спокою – це різниця біоелектричних потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнею мембрани, яка існує в стані фізіологічного спокою. Його величина в нервових клітинах знаходиться в межах від - 60 до - 80 мв.

VIDEO

Мембранний потеніцал спокою можна зареєструвати за допомогою не тільки внутрішньоклітинного відведення, але й позаклітинного. Суть цього методу полягає ось у чому. Скажімо, ділянку нервового волокна занурюють в ізотонічний розчин калію хлориду, що супроводжується повною деполяризацією цієї ділянки. Внаслідок цього потенціал зовнішньої поверхні деполяризованої ділянки волокна стає таким, як потенціал внутрішньої поверхні мембрани. Якщо один із відвідних електродів розташований на повністю деполяризованій ділянці нервового волокна, а інший на сусідній інтактній ділянці, то зареєстрована різниця потенціалів буде являти собою мембранний потенціал спокою досліджуваного волокна.

Згідно сучасних уявлень потенціал, спокою виникає в першу чергу тому, що мембрана клітини в проникною для іонів. Оскільки з внутрішнього боку мембрани іонів К⁺ більше, ніж зовні, то вони будуть пасивно проходити зсередини назовні. Цей потік К⁺ повинен би скоро вирівняти концентрацію цього іона, але цьому протидіє протилежно направлена сила. Ця сила обумовлена електричним зарядом іонів К⁺ на зовнішній поверхні мембрани. Таким чином, вихід позитивних зарядів створює силу або біоелектричний потенціал, який перешкоджає подальшому їх виходу.

Іони Сl^- в нервових клітинах відіграють значну роль у виникненні потенціалу спокою. На відміну від іонів К⁺ проникність для іонів Сl^- значно менша. Пасивний рух іонів хлору, направлений в клітину, створює шар негативного заряду на внутрішній поверхні мембрани, який перешкоджатиме входженню в клітину нових іонів СІ^-. Тобто створюється сила або біоелектричний потенціал, який перешкоджає поступленню нових іонів.

Крім того має значення пасивний вхід іонів Na⁺ згідно, по-перше, існуючого градієнта концентрації і, по-друге, негативного заряду всередині клітини. Вхід Na⁺ в клітину зменшує величину електронегативності внутрішньої поверхні мембрани.

Таким чином, вихід іонів К⁺ і вхід іонів Сl^- сприяє збільшенню величини мембранного потенціалу спокою, а вхід іонів Na⁺ – її зменшенню.

Зменшенню величини мембранного потенціалу, за рахунок пасивного входу іонів Na⁺, активно протидіє натрій-калієвий насос, який виводить Na⁺ з клітини і вводить К⁺. Цей процес є енергозалежним.

Отже, шляхом пасивного та активного перенесення іонів створюється і підтримується мембранний потенціал спокою.

Фізіологічна роль мембранного потенціалу спокою полягає в забезпеченні зарядженим групам макромолекул, що складають мембрану певної просторової орієнтації. Це обумовлює певний стан мембранних каналів. Незначна зміна мембранного потенціалу веде до зміни стану мембранних каналів, що може вивести клітину з стану спокою. Тобто мембранний потенціал спокою забезпечує, так би мовити, готовність до збудження, визначає можливість його виникнення.

Механізм розвитку потенціалу дії.

VIDEO

VIDEO

На організм постійно діють фактори внутрішнього чи зовнішнього середовища, внаслідок чого він виходить з стану фізіологічного спокою.

За природою розрізняють такі подразники: хімічні (розчини кислот, лугів, солей, органічних сполук), механічні (удар, стиснення, укол), температурні (нагрівання, охолодження); електричні. Найбільш зручними є електричні подразники. Їх легко можна градуювати за силою і тривалістю. При цьому використовують постійний електричний струм. Подразнення здійснюється через електроди: катод і анод.

За силою подразники поділяються на: допорогові, порогові і надпорогові.

Після дії допорогового подразника на мембрану, в місці її подразнення виникає деполяризація. Ці зміни називають місцевою або локальною відповіддю. Локальна відповідь – це не здатна до поширення деполяризація мембрани. В основному вона обумовлена переміщенням іонів Na⁺ в клітину. Внаслідок цього рівень поляризації мембрани зменшується.

Особливості локальної відповіді: виникає при дії допорогових подразників, градуально залежить від сили деполяризуючого подразника, не здатна до розповсюдження.

Якщо сила подразника викличе таке підвищення проникності для іонів Na⁺ і мембрана зможе деполяризуватися не місцево, а вся, без будь-яких додаткових впливів, то виникає потеніцал дії, а такий подразник, що його викликав, називається пороговим, а сила подразника – порогом.

Поріг не слід розглядати як сталу величину. Якщо деполяризація буде викликатися повільно, наприклад, поступово наростаючим струмом, то спостерігатиметься підвищення порогу. Це явище називається акомодацією. Величина мембранного потенціалу, з якої мембрана може продовжувати деполяризуватися автоматично називається критичним рівнем деполяризації.

Виникаючий при цьому потенціал дії (це значне коливання мембранного потенціалу) є електрофізіологічним показником збудження і забезпечує його поширення. У потенціалі дії розрізняють (мал. 3) пік і слідові потенціали: негативні і позитивні з відповідними процесами після збудження. Пік складається з висхідної (деполяризація) і низхідної (реполяризація) частини.

Мал. 3. Потенціал дії нейрона

1 – мембранний потенціал спокою; 2 – локальна відповідь; 3 – критичний рівень деполяризації; 4 – фаза деполяризації; 5 – фаза реполяризації; 6 – негативний слідовий потенціал (слідовий деполяризаційний потенціал); 7 – позитивний слідовий потенціал (слідовий гіперполяризаційний потенціал)

Механізм розвитку потенціалу дії полягає у наступному (мал. 3). При досягненні критичного рівня деполяризації настає посилене проникнення Na⁺ в клітину. Зовнішній бік мембрани набуває негативного полюсного заряду, а внутрішній - позитивного. Це фаза деполяризації.

VIDEO

Такий механізм характерний для аксона. У сомі нейрона деполяризація настає не тільки за рахунок вхідного Na⁺, але й за рахунок вхідного Ca²⁺. При досягненні певної величини потенціалу дії рух Na⁺ всередину клітини припиняється, але продовжується дещо раніше розпочатий вихід K⁺. При цьому закінчується фаза деполяризації і розпочинається фаза реполяризації, обумовлена виходом К⁺. Зовнішній бік мембрани знову набуває позитивного полюсного заряду, а внутрішній – негативного. Фаза негативного слідового потенціалу (слідова деполяризація) обумовлена нагромадженням К⁺ в позаклітинному просторі і проявляється затримкою спаду піку. Позитивний слідовий потенціал (слідова гіперпоряризація) обумовлений роботою натрій-калієвого насосу мембрани: Na⁺ викачується назовні з клітини, а К⁺ з міжклітинного простору в клітину, і проявляється як більш негативний мембранний потенціал порівняно з потенціалом спокою. У процесі збудження спостерігається зміна збудливості. Тут розрізняють декілька фаз або періодів (мал. 4).

Мал. 4. Співвідношення фаз потенціалу дії (А) та збудливості (В)

Під час локальної відповіді збудливість підвищується. Це період латентного доповнення. Фаза деполяризації потенціалу дії співпадає зі зменшенням збудливості до нуля – період (фаза) абсолютної незбудливості, або період (фаза) абсолютної рефрактерності. Навіть надпорогові подразники тоді не викликають розвитку потенціалу дії. У нервових клітинах абсолютна рефрактерність триває близько 1 мс і змінюється відносною рефрактерністю, яка припадає на час реполяризації. У цій фазі наступає поступове відновлення збудливості, а збудження викликається тільки надпороговими подразниками.

Наступна фаза – супернормальна (екзальтації). У цю фазу збудливість підвищується в порівнянні з попередньою фазою. Фаза екзальтації співпадає з негативним слідовим потенціалом. Збудження в цю фазу виникає на допорогові подразники. Після супернормальної фази наступає субнормальна фаза, яка співпадає з позитивним слідовим потенціалом. При цьому спостерігається зниження збудливості.

Існування фаз збудливості обумовлює можливість діяльності нервової клітини та перервний характер сигналізації нервовими волокнами.

Механізм сальтаторної провідності

Провідність у мієліновому аксоні залежить від подібних процесів поширення струму. Однак мієлін є ефективним ізолятором, тому циркуляція струму крізь нього незначна.

Ось чому деполяризація в мієліновому аксоні поширюється стрибкоподібне, наче сальто, від одного вузла нервового волокна (перетяжка Ранв'є) до іншого зі згасанням струму в активному вузлі, що спричинює електротонічну деполяризацію аж до критичного рівня у вузлі, розміщеному попереду потенціалу дії. Такого типу поширення деполяризації від вузла до вузла називають сальтаторною, або стрибкоподібною провідністю. Це швидкий процес, провідність у мієліновому аксоні відбувається у 50 разів швидше, ніж провідність у найшвидшому безмієліновому волокні.

Ортодромна й антидромна провідність

Аксон здатний передавати збудження в обох напрямах. Якщо потенціал дії ініційовано посередині аксона, то поширення імпульсів в обох протилежних напрямах зумовлює електротонічна деполяризація з кожного боку від місця подразнення.

Проте в живому організмі імпульси звичайно поширюються лише в одному напрямі, тобто від синаптичного контакту або рецепторів аксоном до його кінця. Таку провідність називають ортодромною. Провідність у протилежному напрямі - антидромна. Оскільки синапси, на відміну від аксона, забезпечують провідність лише в одному напрямі, то будь-які антидромні імпульси, що утворюються, не спроможні пройти крізь уже перший синапс, який трапляється на їхньому шляху, і згасають.

Двофазовий характер потенціалу дії

Відмінності мембранного потенціалу спокою від потенціалу дії, описані раніше, грунтуються на записуванні потенціалів за допомогою двох електродів: один з них розміщений на поверхні аксона, а інший - усередині. Якщо обидва реєструвальні електроди розмістити на поверхні аксона, то осцилоскоп не зафіксує різниці потенціалів між ними в стані спокою. Коли нерв подразнюють, то поза цими двома електродами відбувається проходження імпульсу, що зумовлює характерні послідовності змін потенціалу. Як тільки хвиля деполяризації сягає ближчого до місця подразнення електрода, - першого, - то цей електрод реєструє негативний заряд щодо другого. Якщо ж імпульс поширюється в частині нерва між двома електродами, то осцилоскоп зареєструє відсутність потенціалу, тобто ізолінію. В разі надходження імпульсу до другого електрода, він зареєструє другий потенціал і перший стає позитивно зарядженим щодо другого. Загальноприйнято приєднувати до підсилювача електроди так, щоб перший був негативно зарядженим щодо другого, і тоді запис фіксує відхилення догори. Далі настає ізоелектричний інтервал і після нього крива відхиляється донизу. Таку послідовність називають двофазовим потенціалом дії. Тривалість ізоелектричного інтервалу пропорційна до швидкості провідності в нерві і відстані між двома реєструвальними електродами.

Провідність в об'ємному провіднику

Оскільки рідини організму містять значну кількість електролітів, то нерви в організмі діють в оточенні добре провідного середовища, яке називають об'ємним провідником. Описані вище моно- і двофазний потенціали дії досліджені в умовах непровідного середовища поза організмом. Зміни потенціалів, які реєструють у разі зовнішньоклітинного дослідження, в оточенні об'ємного провідника, тобто за умов цілісного організму, головно відповідають описаним вище, проте в цьому випадку виникають перешкоди, спричинені поширенням струму через об'ємний провідник. Ці перешкоди зумовлені впливом чинників, пов'язаних з орієнтуванням електродів стосовно напряму поширення потенціалу дії, відстанню між записувальним електродом, що перебуває над активною тканиною, та індиферентним електродом. Загалом під час реєстрації потенціалу дії в середовищі об'ємного провідника простежуються електропозитивні відхилення в обох напрямах від електронегативного піка.

Йонні основи збудження і провідності

Клітинні мембрани нейронів, як і інших клітин, мають багато різного типу йонних каналів. Деякі з них пасивні, тобто постійно відкриті, тоді як інші є потенціалозалежними, а ще інші - ліґандозалежними. Функціюванням цих каналів, зокрема Na⁺- і К-каналів, пояснюють електричні явища в нервах.

Йонні основи мембранного потенціалу спокою

VIDEO

З нейронів та інших клітин відбувається активне транспортування Na⁺, тоді як у клітини – К⁺. Шляхом дифузії К⁺ виходить з клітин, a Na дифундує в клітини, проте завдяки К⁺-каналам проникність мембрани для К* є значно вищою, ніж для Na⁺. Оскільки мембрана непроникна для більшості аніонів клітини, то вихід К⁺ з клітин не супроводжується відповідним відтіканням аніонів, завдяки чому виникає поляризація мембрани, її зовнішня поверхня має позитивний, а внутрішня -негативний заряд.

Йонні потоки під час потенціалу дії

Зміни проникності мембрани для Na⁺ і К⁺, що відбуваються протягом потенціалу дії, відображені на рис. 2-12. Проникність для йона обернено пропорційна до його електричної опірності в мембрані і є мірою проникності цього йона.

Незначне зменшення мембранного потенціалу спокою спричинює відтікання К⁺ і надходження СІ , що забезпечує відновлення мембранного потенціалу спокою. Однак коли деполяризація сягає 7 мВ, то прохідність потенціалозалеж-них К⁺-каналів збільшується (активування К⁺-каналів), і як тільки досягнуто критичного рівня деполяризації, проникність мембрани для Na⁺ збільшується настільки, що він лавиноподібне надходить у волокно, створюючи високу концентрацію та електричні градієнти, що тимчасово перекривають реполяризувальні чинники.

Потенціал рівноваги для Na⁺ у нейронах ссавців, обчислений за рівнянням Периста, дорівнює приблизно +60 мВ. Мембранний потенціал наближається до цього значення, проте упродовж потенціалу дії його не досягає, головно тому, що збільшення проникності для Na* є короткочасним. Ворота - Na⁺каналів швидко закриваються (стан інактивування), це триває декілька мілісекунд - до відмовлення мембранного потенціалу спокою. Крім того, напрям електричного градієнта для Na⁺ змінюється на протилежний під час овершута тому, що змінюється мембранний потенціал, і це обмежує надходження в аксон Na⁺. Третім чинником, що забезпечує реполяризацію, є активування відкриття воріт К⁺-каналів, яке триває довше, аніж активування Na ⁺-каналів, і, отже, максимум провідності для К⁺ настає пізніше, ніж для Na'. Ефективний рух позитивних зарядів назовні клітини, зумовлений виходом йонів Cl, завершує процес реполяризації. Явище слідової гіпер-поляризації пояснюють повільним інактивуванням Na -каналів.

Зменшення позаклітинної концентрації Na⁺ спричинює зменшення потенціалу дії, проте воно незначно впливає на мембранний потенціал спокою. Незначний вплив на мембранний потенціал спокою можна пояснити на підставі рівняння Ґольдмана, оскільки проникність мембрани для Na⁺ в стані спокою порівняно невелика. І навпаки, збільшення позаклітинної концентрації К⁺ знижує мембранний потенціал спокою.

Хоча під час формування потенціалу дії Na⁺ проникає в нервові клітини, а К⁺ виходить з них, кількість йонів, задіяних у цих переміщеннях незначна щодо їхньої загальної кількості. Факт, що нерв протягом активності отримує Na⁺ і втрачає К⁺, досліджено експериментальне, проте помітну різницю виявлено лише в дослідах з тривалим багаторазовим подразненням.

Повільне відкривання та закривання воріт Na -каналів пояснює також явище акомодації аксона. Якщо деполяризація відбувається швидко, то відкривання Na⁺-каналів зумовлює перевершення сил реполяризації, якщо ж індукована деполяризація повільна, то відкривання К⁺-каналів встигає зрівноважити поступове в цьому випадку відкривання Na - каналів, і потенціал дії не виникає.

Зменшення позаклітинної концентрації Са²⁺ посилює збудливість нервових і м'язових клітин шляхом зниження рівня деполяризації, що потрібно для ініціювання змін і проникності для Na⁺ й К⁺ та виникнення потенціалу дії. Навпаки, збільшення позаклітинної концентрації Са стабілізує мембрану шляхом зниження збудливості.

Розподіл йонних каналів у мієлінових нейронах

Деякі речовини, що специфічно пов'язані з Na⁺- і К⁺-каналами, можуть бути сполучені, позначені і застосовані для ідентифікування локалізації каналів у клітинній мембрані. Потенціалозалежні Na ⁺-канали сконцентровані у вузлах нервового волокна Ранв'є і початкових сегментах мієлінових нейронів. Початковий сегмент і перший вузол Ранв'є в чутливих нейронах є ділянками, де генеруються імпульси. Інші вузли Ранв'є - це ділянки, у яких відбувається сальтаторна провідність. Кількість Na⁺ -каналів на 1 мкм² мієлінового нейрона ссавців становить 50-75 на тілі клітини, 350-500 у початковому сегменті, до 25 на поверхні мієліна, 2000-12000 у ділянці вузла Ранв'є і 20-25 у терміналах аксона. На аксонах безмієлінових нейронів ця кількість становить приблизно ПО. У багатьох мієлінових нейронах Na⁺-ка-нали межують з К⁺-каналами, які відіграють важливу роль у процесі реполяризації.

Джерела енергії та метаболізм нерва

Більша частина енергетичних потреб нерва-приблизно 70% - потрібна для підтримання стану поляризації мембрани за допомогою активності Na⁺-К⁺-АТФ-ази. Під час максимальної активності рівень метаболізму в нерві подвоюється (для порівняння: рівень метаболізму в скелетному м'язі збільшується в 100 разів). Гальмування утворень молочної кислоти не впливає на функцію м'яза.

Як і в м'язі, у нерві відбувається теплоутворення в стані спокою; початкове теплоутворення - під час потенціалу дії і затримане - після активності. Однак у нерві затримане теплоутворення, що виникає після поодинокого імпульсу, в ЗО разів перевищує початкове. Є докази, що початкове теплоутворення відбувається протягом слідової деполяризації активніше, ніж під час піка потенціалу. Метаболізм у м'язах детально описаний у Розділі 3.

Властивості змішаних нервів

Периферійні нерви ссавців утворені великою кількістю аксонів, оточених волокнистою обгорткою - епіневрієм. Зміни потенціалів, які реєструють зовнішньоклітинно, унаслідок цього становлять алгебричну суму змін потенціалів багатьох аксонів. Сила порогового струму для окремих аксонів нерва і відстань від електродів, які завдають подразнення, відрізняються. Підпорогові подразники недостатні для виникнення збудження. Подразники порогової сили спричинюють збудження в аксонах, що мають низький поріг збудливості; унаслідок цього виникають незначні зміни потенціалів. Якщо ж інтенсивність подразнювального струму зростає, то виникає збудження і в аксонах, що мають високий поріг збудливості. Посилення електричних явищ пропорційне до сили подразнювального струму доти, доки процес не охоплює всі аксони нерва. Подразник, який спричинює збудження всіх аксонів нерва, називають максимальним; подальше підвищення його рівня (надмаксимальний подразник) уже не зумовлює збільшення зафіксованого потенціалу.

Складний потенціал дії

Іншою властивістю змішаних нервів, що відрізняє їх від ізольованого аксона, є наявність множинних піків у кривій потенціалу дії. Цей багатопіковий потенціал дії називають складним потенціалом дії. Його особливий вигляд зумовлений тим, що змішані нерви утворені групами волокон, які мають різну швидкість провідності. Отже, коли подразнені всі волокна нерва, то активність швидкопровідних волокон досягає реєструвальних електродів раніше, ніж активність повільнопровідних, і чим більшою є відстань між подразнювальними і реєструвальними електродами, тим більше розмежовані піки потенціалів швидкопровідних і повільнопровідних волокон. Кількість і розмір піків залежать від типів волокон, з яких складається конкретний досліджуваний нерв. У разі використання подразника, меншого за силою від максимального, форма складного потенціалу дії теж залежить від кількості і типу волокон, що відповідають на подразнення.

Типи нервових волокон та їхня функція

Ерлянгер і Ґассер розподілили нервові волокна ссавців на групи А, В та С. Шляхом порівняння неврологічних ушкоджень після обережного перерізання заднього корінця, а також інших нервових структур за умов експерименту з наступними гістологічними змінами в нервових волокнах вдалося визначити функції і гістологічні характеристики кожної з груп волокон, подразнення яких призводить до утворення різних піків складного потенціалу дії. З'ясовано, що великі аксони переважно пов'язані з пропріоцептивним відчуттям, соматичною руховою функцією, свідомим відчуттям дотику і тиску, тоді як менші передають відчуття болю і температури, а також імпульси, що забезпечують автономні функції. В табл. 2-1 наведено перелік різного типу волокон із зазначенням їхнього діаметра, електричних характеристик і функцій. С-волокна заднього корінця передають імпульси, генеровані больовими і температурними рецепторами. Подальші дослідження дали змогу виявити, що не всі охоплені класифікацією компоненти є однорідними, і тому деякі фізіологи використовують для класифікації чутливих волокон іншу - цифрову систему, хоча вона теж має недоліки. В табл. 2-2 наведено порівняння літерної і цифрової систем класифікації.

Крім різниці у швидкості передавання і діаметрах, різні типи волокон периферійних нервів відрізняються чутливістю до гіпоксії та засобів знечулення (табл. 2-3). Це має як фізіологічне, так і клінічне значення. Анестетики місцевої дії гальмують передавання у волокнах групи С швидше, ніж вони діють на дотикові волокна групи А. Навпаки, стискання нерва може спричинити втрату провідності у великих за діаметром рухових волокнах і волокнах, що передають відчуття дотику і тиску, тоді як больове відчуття практично не зміниться. Особливості цього типу волокон можна оцінити на прикладі стискання нервів, що виникає в ділянці плеча під час тривалого і міцного сну в осіб, які сплять підклавши руку під голову. Оскільки цей тривалий сон у такому положенні нерідко трапляється після алкогольної інтоксикації в дні відпочинку, то отримане ушкодження назвали "паралічем суботньої ночі", або "паралічем недільного ранку".

НЕЙРОТРОФНІ РЕЧОВИНИ Трофічні фактори нервів

Виділено і вивчено велику кількість білків, потрібних для життєдіяльності і росту нейронів. Окремі з них - нейротрофіни - утворені м'язами або іншими структурами, що їх іннервують нейрони, інші виділені астроцитами. Ці білки зв'язуються з рецепторами нервових закінчень, інтерналізуються і ретроградно переміщуються до тіла нервової клітини, де сприяють синтезу білків, потрібних для розвитку, росту і життєдіяльності нейронів. Інші нейротрофіни утворюються в нейронах, антероґрадно транспортуються до нервових закінчень; вони потрібні для нормального функціювання постсинаптичного нейрона.

Рецептори

У табл. 2-4 наведені чотири достеменно визначені нейротрофіни та їхні високоафінні рецептори. Кожен з цих Trk рецепторів димеризується і таким способом ініціює автофосфорилювання в доменах цитоплазматичної тиро-зинкінази рецепторів. Відомий також додатковий низько-афінний рецептор ФРН - фактор росту нервів; білок з молекулярною масою 75 кДа, його називають p75^NTR. Цей рецептор зв'язує всі чотири названі нейротрофіни з однаковим ступенем афінності. Є підстави вважати, що він здатний утворювати гетеродимер з мономером TrkA. Такий димер підвищує афінність і специфічність зв'язування фактора росту нервів. Однак з'ясовано: гомодимери p75^NTR, які зв'язують нейротрофіни, можуть самі бути посередни-

Таблиця 2-1. Типи нервових волокон у нервах ссавців¹

Тип волокна	Функція	Діаметр волокна, мкм	Швидкість передавання, м/с	Тривалість піка, мс	Період абсолютної рефрактерності, мс
А а	Пропріоцептивна, соматомоторна	12-20	70-120	0,4-0,5	« 0,4-1,0
Р	Дотик, тиск	5-12	30-70
У	Рухова щодо м'язових веретен	3-6	15-30
5	Біль, холод, дотик	2-5	12-30
В	Прегангліонарне автономне волокно	<3	3-15	1,2	1,2
С Задній корінець	Біль, температура, окремі види механорецепції, рефлекторні відповіді	0,4-1 ,2	0,5-2	2	2
Симпатичне	Постгангліонарне симпатичне волокно	0,3-1,3	0,7-2,3	2	2

А- і В-волокна мієлінові; С-волокна безмієлінові.

нами реакцій, що ведуть до апоптозу - явища, протилежного до звичайного ростостимулювального і трофічного ефекту нейротрофінів.

Фактор росту нервів

Першим дослідженим нейротрофіном був фактор росту нервів (ФРН) білкового типу, потрібний для росту та функціювання симпатичних і деяких чутливих нейронів. Цей фактор є в багатьох тваринних видів, у тім числі і в людини: міститься в різних тканинах. Особливо високу його концентрацію виявлено в підщелепній залозі самців миші. Після кастрації самців концентрація ФРН зменшується до рівня, властивого самкам. Фактор побудований з двох а-, двох р- і двох у-субодиниць. У р-субодиницях, молекулярна маса кожної з яких 13 200, є уся ростостиму-лювальна активність, сх-субодиниці виявляють трипсино-подібну дію, а у-субодиниці - це серинпротеази. Функція цих протеаз нез'ясована. Структура р-одиниці ФРН нагадує структуру інсуліну.

ФРН проникає в нейрони з позачерепних органів, що їх іннервують ці нейрони, і переміщується ретроградно від нервових закінчень до тіл нервових клітин. Крім того, ФРН

Таблиця 2-2. Цифрова система, яку інколи використовують для класифікації волокон чутливих нейронів

Номер	Початок волокна	Тип волокна
І	М'язове веретено, кільцево-спіральне закінчення Сухожильний орган Ґольджі	Аа Аа
II	М'язове веретено, гроноподібне розширення; рецептори дотику, тиску	Ар
III	Рецептори болю, холоду і деякі рецептори дотику	А5
IV	Рецептори болю, температури й інші	С-волокно заднього корінця

міститься в головному мозку й, очевидно, необхідний для росту і життєдіяльності холінергічних нейронів основи переднього мозку та смугастого тіла. Ін'єкція антитіл до ФРН новонародженим тваринам спричинює майже повну деструкцію симпатичних вузлів, зумовлюючи імуносимпатектомію. Можна вважати, що під впливом ФРН явища апоптозу в нейронах менше виражені.

Інші нейротрофіни

Продукований мозком нейротрофний фактор (BDNF -від англ. brain-derived neurotropic factor), нейротрофін-3 (NT-3), NT-4/5 і ФРН забезпечують різні сторони життєдіяльності нейронів, запобігаючи апоптозу, хоча їхні функції перекриваються. Створення дефіциту NT-3 шляхом нокауту гена спричинює помітну втрату механорецепторів у шкірі навіть у гетерозиготних організмах. BDNF діє швидко і може фактично деполяризувати нейрони. Дефіцит BDNF у мишей спричинює втрату периферійних чутливих нейронів і глибокі дегенеративні зміни в вестибулярних вузлах, а також пригнічення LTP. Описаний також фактор NT-6.

Рис. 2-14. Гліальні клітини головного мозку (відтворено за дозволом з Junqueira L, Carneiro J, Kelley R. Basic Histology, 9th ed. McGraw-Hill, 1998).

росту тромбоциту (PDGF - від англ, platelet-derived growth factor). Отже, регулювання росту нейронів є складним процесом.

При стимуляції дендритів нервових клітин відбуваються коливання мембранного потенціалу спокою. Ці зміни називаються рецепторним потенціалом, який обумовлений підвищенням іонної проникності мембрани дендритів.

Умовами проведення збудження аксонами є: анатомічна цілісність нервового волокна, фізіологічна повноцінність. Законами проведення збудження аксонами є: двобічна провідність, ізольоване проведення, проведення збудження без затухання. Безмієліновими нервовими волокнами збудження розповсюджується безперервно, а міеліновими від перехвату Ранв’є до перехвату Ранв’є.

Умови і закони проведення збудження аксонами.

Умови: 1. Анатомічна цілісність нервового волокна. Травма, перерізка нерва порушує проведення збудження.

2. Фізіологічна повноцінність. Проведення збудження аксонами порушується внаслідок зникнення проникності їх мембран для іонів натрію, наприклад, при дії знеболюючих засобів.

Закони проведення збудження: 1. Двобічної провідності.

2. Ізольованого проведення.

3. Проведення збудження без затухання.

VIDEO

Проведення збудження безмієліновими і мієліновими нервовими волокнами. Подразнена ділянка стає джерелом утворення місцевих колових струмів. На поверхні волокна струм тече від неподразненої до подразненої ділянки, а в середині – навпаки. Утворюється коло струму, яке пронизує мембрану на певній відстані від подразненої ділянки. При цьому виникає конформація білків натрієвих каналів мембрани і трансмембранний потік натрію в середину волокна. Це веде до деполяризації мембрани і розвитку локального потенціалу.

Коли деполяризація досягає критичного рівня, з'являється потенціал дії і процес збудження переміщається в наступну ділянку. Далі все повторюється: попереду хвилі збудження розповсюджується хвиля колового локального електричного струму і так далі.

VIDEO

Безмієліновими нервовими волокнами збудження розповсюджується безперервно, а міеліновими від перехвату Ранв'є до перехвату Ранв'є. Це можливо тільки тому, що мембрана перехвату має майже в 100 разів більше натрієвих каналів, ніж мембрана безмієлінових нервових волокон. Щодо швидкості поширення збудження, то вона більша в мієлінових волокнах.

VIDEO

Структурно-функціональні особливості нервової системи.

VIDEO

Основу нервової системи складають нейрони. Вони мають тіло або сому, короткі відростки – дендрити і довгий відросток – аксон. Фізіологічна роль дендритів – це доставка інформації до тіла нейрона, а аксонів – проведення нервового імпульсу від соми до інших нейронів або виконавчих органів.

Нейрон може знаходитися в стані спокою (практично відсутні коливання мембранного потенціалу спокою) і в стані активності (генерує потенціали дії).

За функціональним значенням нервової клітини поділяються на чутливі (сенсорні, аферентні), вставні (проміжні, інтернейрони) та рухові (моторні, еферентні). Чутливі нейрони сприймають подразнення і доставляють збудження в центральну нервову систему; вставні сприяють поширенню збудження в нейронних сітках або здійснюють гальмування; рухові передають збудження до виконавчих органів. Взаємозв'язок між нейронами здійснюється медіаторами. Розрізняють збуджуючі і гальмівні медіатори. Збуджуючі медіатори – глутамінова кислота, ацетилхолін, катехоламіни; гальмівні медіатори – гамма-аміномасляна кислота (ГАМК), гліцин.

Крім нейронів у нервовій системі є і гліальні клітини, що виконують опорну функцію. Вони в деяких аксонах утворюють мієлінову оболонку, забезпечуючи ізоляційну функцію. Гліальні клітини підтримують концентрацію К⁺ в міжклітинних просторах, а відповідно підтримують збудливість нейронів.

Особливості розповсюдження збудження в нейронних ланцюгах. Дивергенція – здатність встановлювати чисельні синаптичні зв'язки з багатьма нервовими клітинами. Ця властивість лежить в основі активного поширення збудження – іррадіації.

Конвергенція. На кожному з нейронів центральної нервової системи можуть сходитися різні аферентні імпульси. Завдяки цьому в нейрон одночасно надходять чисельні й різноманітні потоки збуджень.

Реверберація. Виникнувши, у відповідь на якийсь стимул, збудження циркулює, або реверберує в ланцюжку нейронів до того часу, поки якийсь зовнішній стимул не загальмує одної ланки або в ній не наступить втома. Реверберація лежить в механізмах короткочасної пам'яті.

Часова сумація – це виникнення збудження під впливом послідовних допорогових подразнень.

Просторова сумація – це розвиток збудження внаслідок одночасної дії декількох допорогових подразнень.

Види гальмування.

Постсинаптичне гальмування. Збудження, яке надійшло до гальмівного нейрона (клітини Реншоу спинного мозку, клітини Пуркін'є мозочка, зірчасті клітини кори) сприяє виділенню гальмівного медіатора цією клітиною Під його впливом наступає активування калієвих каналів постсинаптичної мембрани, що веде до гіперполяризації. Це пригнічує натрієві канали і можливість розвитку деполяризації в збуджуючій клітині.

Пресинаптичне гальмування. Морфологічним субстратом пресинаптичного гальмування є аксо-аксонні синапси, які утворюються аксонами гальмівних і збуджуючих нейронів. Медіатори – ГАМК або гліцин, які викликаючи гіперполяризацію аксона збудливого нейрона, перешкоджають надходженню потенціалу дії до пресинаптичного закінчення і, як наслідок, недостатнє виділення медіатора для виникнення збудження в постсинаптичній клітині.

Зворотнє гальмування. Суть його полягає в тому, що коллатералі аксонів збуджуючих нервових клітин утворюють синаптичні сполучення із гальмівними нейронами, що мають їх з першими. При збудженні збуджуючого нейрона активується гальмівний нейрон, що виділяє ГАМК або гліцин. Внаслідок цього відбувається гіперполяризація мембрани збуджуючого нейрона і гальмується його діяльність.

Латеральне гальмування. Якщо в ланцюгу нейронів, що забезпечують зворотнє гальмування, коллатералі аксонів гальмівних нейронів утворюють синаптичні зв'язки із сусідніми збуджуючими клітинами, то в них розвивається латеральне гальмування.

Синапс, види синапсів. Синапс (гр. sinapsis – з'єднання, зв'язок) – це спеціалізована зона контакту між збудливими структурами, що забезпечує передачу біологічної інформації.

Поява міжклітинних контактів у філогенезі привела до утворення з одноклітинних організмів багатоклітинних.

Класифікація синапсів.

За локалізацією:

1. Периферійні (нервово-м'язові, нейро-секреторні);

2. Центральні (нейро-нейрональні):

а) аксо-соматичні;

б) аксо-дендритні;

в) аксо-аксональні;

г) дендро-дендритні.

За функціональним значенням:

1. Збуджуючі;

2. Гальмівні.

За способом передачі сигнала:

1. Електричні.

2. Хімічні.

3. Змішані (електро-хімічні).

Гальмівні електричні синапси (рис. 1). В основному елекричні синапси -це збуджуючі. Але є незначна кількість і гальмівних електричних синапсів. Для них характерним є відсутність щільного контакту. Гальмування розвивається за рахунок впливу струму, який породжений пресинаптичним потенціалом дії. У постсинаптичній мембрані розвивається гіперполяризація, яка гальмує виникнення потенціалу дії.

Рис. 1. Схема електричних синапсів

VIDEO

Хімічні синапси – це утвори, в яких збудження з клітини на клітину передається за допомогою хімічних речовин, які називаються медіаторами.

Класифікація хімічних синапсів (за типом медіатора):

Холінергічні – медіатор ацетилхолін;

Адренергічні – медіатор норадреналін, адреналін;

Гістамінові – медіатор гістамін;

Серотонінові – медіатор серотонін;

Дофамінергічні – медіатор дофамін;

ГАМК-ергічні – медіатор ГАМК.

VIDEO

Передача збудження в хімічних синапсах відбувається в такій послідовності.

1. Виділення медіатора пресинаптичними закінченнями. Після надходження потенціалу дії до пресинаптичного закінчення відбувається деполяризація його мембрани, активуються кальцієві канали і в закінчення входять іони кальцію. Вони активують транспорт везикул з медіатором по нейрофіламентах цитоскелету до пресинаптичної мембрани. Вміст везикул звільняється в позаклітинний простір шляхом екзоцитозу.

2. Дифундування молекул медіатора через синаптичну щілину до постсинаптичної мембрани.

3. Взаємодія медіатора з постсинаптичною мембраною. На постсинаптичній мембрані є структури, в основному білкової природи, які комплементарні або відповідні до певного медіатора і мають назву рецепторів. Взаємодія медіатора з рецептором веде до конформації останнього і активування певного ферменту локалізованого в постсинаптичній мембрані.

Хімічні синапси на постсинаптичних мембранах містять в холінергічних синапсах н (нікотинові) і м (мускаринові); в адренергічних – альфа₁, альфа₂, бета₁ і бета₂; в гістамінових – Н₁, Н₂ та інші рецептори.

Зараз відомо, що мускаринові холінорецептори, альфа-адренорецептори, Н₁-гістамінові рецептори зв'язані з таким мембранним ферментом як гуанілатциклаза, а нікотинові холінорецептори, бета-адренорецептори, Н₂-гістамінові рецептори – з аденілатциклазою.

Активована гуанілатциклаза каталізує перетворення гуанозинтрифосфату в циклічний гуанозинмонофосфат (цГМФ), а аденілатциклаза – аденозитрифосфат в циклічній аденозинмонофосфат (цАМФ). цГМФ та цАМФ активують протеїнкінази, які:

по-перше, каталізують фосфорилювання білків іонних каналів. Внаслідок цього змінюється їхня проникність, що веде до утворення потенціалу дії на постсинаптичній мембрані;

по-друге, стимулюється клітинний метаболізм.

Швидкі м'язові волокна реагують на нервовий імпульс потенціалом дії і відповідно скороченням за типом “все або нічого”, а повільні – тільки локальною відповіддю і відповідно локальним контрактурним скороченням. Як правило, один і той же м’яз містить рухові одиниці обох типів, але в різній кількості. Кожне м'язове скелетне волокно одержує лише збуджуючу інервацію від одного нервового волокна.

VIDEO

Вивчити нервово-м'язову передачу в поперечно-смугастих м'язах можна шляхом реєстрації потенціалів дії м'яза після ритмічної супрамаксимальної електричної стимуляції рухового нерва. Для стимулювання звичайно використовують серію електричних імпульсів з тривалістю серії від 1 до 2 секунд. Враховується амплітуда відведених потенціалів дії. У здорових дорослих людей амплітуда електричних відповідей починає зменшуватися, коли частота стимулювання перевищить 60-70 імп/сек. Зниження амплітуди звичайно враховується шляхом порівняння висоти першого і п'ятого потенціалу дії.

VIDEO

http://217.196.164.19/data/teacher/video/anat/Video/SUM5S3D.mov

Деякі гладкі м’язи іннервуються за типом рухових одиниць. Такий тип іннервації знайдено в м’язах райдужної оболонки ока. В інших гладких м’язах – тонких кишок, сечоводів, сечового міхура – нервове волокно закінчується на значній віддалі від поверхні м’язового волокна. У цих м’язових клітинах постсинаптична мембрана не має характерної структури. Завдяки синцитіальній структурі гладких м’язів збудження, яке виникло в одному або декількох волокнах, може передаватися іншим волокнам і таким чином охоплювати весь м’яз.

Література:

1. Фізіологія в питаннях і відповідях / Вадзюк С.Н., Денефіль О.В., Волкова Н.М. та співав. / За ред. В.Г. Шевчука. – Тернопіль: Укрмедкнига, 2006. – С. 1-10, 14, 15.

2. Физиология человека: В 4-х томах. Т.1. Пер. с англ. / Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. – М.: Мир, 1985. – С. 7-47, 78-113.