ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

АКСОН И НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС

Генерация и распространение нервного импульса в организ­мах животных, возбуждение нервных и мышечных клеток — важ­нейшие мембранные явления. Мембранная теория возбуждения была сформулирована Бернштейном еще в 1902 г. [1]. Согласно его теории, возбуждение определяется электрохимическими про­цессами, локализованными в мембранах нервных и мышечных клеток. Эти процессы сводятся к перемещению малых ионов. Позднее Лазарев опубликовал монографию об ионной природе нервного возбуждения [2]. Исследования, проведенные Ходжки- ном, Катцем, Хаксли, Тасаки и другими учеными [3—6], рас­крыли принципиальные механизмы генерации нервного импульса и его распространения (см. также [7—9]).

Нервное возбуждение распространяется по нервным волок­нам— аксонам. Принято разделять нервную систему высших ор­ганизмов на центральную и периферическую. Периферическая система содержит аксоны, служащие для передачи сигналов, а также ганглии вегетативной нервной системы. Аксоны яв­ляются коммуникациями для афферентных сообщений от орга­нов чувств, направляемых в центральную систему, и для эффе­рентных сигналов, направляющихся от центральной системы к мышцам. Аксоны представляют собой отростки центрально расположенных клеток. Нервная система беспозвоночных имеет иное строение, но она также содержит коммуникационные аксоны.

Исследование генерации нервного импульса и его распро­странения в аксоне — старая и традиционная проблема биофи­зики/ Уже Гельмгольц измерял скорость распространения нерв­ного возбуждения/В настоящее время решены важные физиче­ские задачи, относящиеся к функции аксона. Напротив, совре­менное состояние науки позволяет лишь формально моделиро­вать работу центральной нервной системы и мы еще далеки от понимания физической природы высших ее функций — памяти и мышления.

На рис. 4.1, заимствованном из [5], представлена схема строе­ния нервной клетки, именуемой иначе нейроном. Нейрон полу­
чает сообщения от многих других нейронов через их тонкие ответвления, образующие контакты — синапсы — с телом клетки и его короткими отростками — дендритами. Аксон имеет макро­скопические протяженность и сечение. Длины аксонов в теле крупных животных достига­ют нескольких метров.\

Контакты с другими клетками образуются не только в синапсах.^ Боль - шая часть поверхности ней­рона покрыта прилегающи­ми к нему глиальными, или иіванновскими, клетками^ роль которых пока не выяс­нена. С другой стороны^из мембран шванновских кле­ток образуется миелиновая оболочка миелинизирован - ных аксонов, показанная ^схематически на рис. 4.1. ^Оболочка прерывается через каждые 1—2 мм длины ак­сона перехватами Ранвье, имеющими протяженность /Т около 1 мкм. В области пере­хватов мембрана аксона не­посредственно контактирует с окружающей средойЛ^

Немиелинизированные во - ЛОКНа могут быть объеди - Рис. 4.1. Схема строения нервной клетки нены одной шванновской (двигательный нейрон).

К-ТТР. ТКПЙ чтп ППКЯ1ЯНП R гр - і тн~тел0 нейрона,1Ца — аксои1Смо — миелиновая клеткой, ЧТО UOKdJdHU В се ~ оболочка, перехват Ранвье^д-дендрит,

ЧЄНИИ на рис. 4.2. Погру - X*— ядро,^с —синапсыЛодн—окончание двига о г - г тельного нерва,\мв — мышечное волокно.

Женныи в шванНЬвскую 1

Клетку аксон создает глубо­кую инвагинацию мембраны шванновской клетки, причем обра­зуется мезаксон — две шванновские мембраны, расположенные рядом^В правом нижнем углу схематически показана двойная мембрана, разделяющая цитоплазму шванновской клетки и ци­топлазму аксона, аксоплазму [9].

Герен [10] установила, что миелиновая оболочка аксона образована многократным спиральным закручиванием мембраны шванновской клетки вокруг аксоиаГМиелин представляет собой, - т-а«им~ойразом,/многослойную (доЧїбО слоев) мембрану, строе­ние которой наблюдается с помощью электронного микроскопа. Миелии защищает мембрану аксона от окружающей среды.

6 М. В. Волькеиштейн

Структура миелина была детально изучена методом рентгено­графии с разрешением 10 А [11]. Определены профили электрон­ной плотности миелина седалищного нерва кролика и лягушки и миелина зрительного нерва кролика. На рнс. 4.3 показаны эти кривые для нервных волокон кролика и схема структуры мие­лина, соответствующая данным кривым. Миелин построен асим­метрично, холестерин сосредоточен преимущественно на стороне

Рис. 4.2. Схема строения немиелинизированнного нервного волокна позво­ночного.

А — аксон, м — мезаксон— шванновская клетка.

Миелина, соприкасающейся с мембраной аксона. Схема согла­суется с липидным составом миелина млекопитающих, установ­ленным ранее [12]. Белковые слои граничных областей миелина содержат йоду. Внутренняя область построена из гибких угле­вОдорОдных «хвостов» липидов.

/Уже давно установлено, что нервы и мышцы способны гене­рировать электродвижущие силы, биопотенциалы. Электриче­ская активность клеток проявляется в форме коротких разря­дов, каждый из которых длится около 1 мс. Современная экспериментальная техника позволяет усиливать эти сигналы и регистрировать их с помощью осциллографа или другим пу­тем. Установлено, что активность нерва всегда сопровождается электрическими явлениями — и при внешнем возбуждении и при посылке сигнала мозгом в соответствующем аксоне наблюдаются электрические импульсы. На рис. 4.4 показаны импульсы в зри­тельном нервном волокні краба Limulus, вызванные вспышкой света длительностью 1 с [13]. Частота и характер последователь­ности импульсов, имеющие несомненное информационное значе­
ние, зависят от интенсивности и спектрального состава света [14, 15] (см. гл. 7) .1 Величина и длительность отдельного им­пульса не зависят отТгрироды и силы раздражения."

О 20 40А

-J 1 1 1 1

0 0 .::•:

»w0#0

^ V J 1 O^^-v^.p..

Г У. Го 0

Внугрен^/7о/тярже=Стероид щ^Гибх/гя ^Стероид ^//плярная Внешний

Нийбеяоцт. группы^ +ягесткая цепь +жесткая белок

+еоЗа '— " цепь - цепь — —~ +вода углеводороды

Рис. 4.3. Схема миелиновой мембранной структуры.

Вверх* - профили электронной плотности для глазного (пунктир) н седалищного (сплошная

Лнння) нервов кролика.

Электрический сигнал, отвечающий отдельному импульсу, распространяющемуся вдоль аксона, называется потенциалом действия или спайком. Это — основная единица информации, передаваемой по нервному волокну.

Скорость распространения импульса по аксону равна по по­рядку величины 1—100 м/с, она меньше для немиелинизиро - ванных и больше для миелинизированных аксонов.

0,01

0,001

Рис. 4.4. Импульсы в зрительном нервном волокне Limulus, вызванные вспышкой света длительностью I с.

Цифры справа указывают относительную интенсивность вспышки. Период освещения указан разрывом верхней белой линии, отметка времени на нижней белой линии 0,2 с.

В табл. 4.1 [3] приведены некоторые данные. Проведение нервного возбуждения есть проведение электри­ческого импульса. Несмотря на то, что аксоплазма представляет

Таблица 4.1

Скорость проведения возбуждения в нервном н мышечном волокнах

') Для миелинизированных волокон указаны значения наружного диа^ метра миелиновой оболочки.

Собой раствор электролитов, никоим образом нельзя считать, что ионный ток в ней определяет распространение импульса. ("Удельное сопротивление аксоплазмы равно по порядку вели­чины 10—100 Ом-см. Следовательно, сопротивление на единицу длины волокна диаметром 1 мкм составляет 109—Ю10Ом-см, т. е. превышает сопротивление медного провода того же диа­метра в 108 раз. В таком проводнике очень велики потери и утечки. Между тем аксон передает первичный импульс на рас­стояния свыше метра б^а-затухания. и без иска^кения.^.

В нейрофизиологии и в биофизике нервнЪ'го""возбуждения сыграло большую роль развитие методов работы на изолиро­ванных аксонах, техники введения микроэлектродов в аксон и метода перфузии, т. е. выдавливания аксоплазмы из волокна и ее замены искусственными растворамиДОсобенно удобна ра­бота на гигантских аксонах кальмара, имеющих диаметр до 0,5 мм (см. табл. 4.1 ^Элементарный опыт состоит во введении в аксон двух микроэлектродов: первый служит для электриче­ской стимуляции возбуждения, второй-^- для измерения ге­нерируемого потенциала (рис. 4.5) [4]./Опыт показывает, что ""величина и временной ход токов действия совершенно не зави­сят от величины стимулирующего тока и что потенциал дей­ствия не возникает, если электрический стимул не достигает не­которого порогового потенциала. Тем самым, нервное волокно

Гл. 4. нервный импульс

Подчиняется закону «все или ничего». Иными словами, потенциал действия постоянной величины либо возникает, либо не возни­кает вовсе.

Для возбуждения аксона необходимо некоторое минимальное количество электричества.,' Соответственно по мере уменьшения

Раздражение Осцилмерар

ЕЖЖ^,..»,, ,

Аксон

Рис. 4.5. Схема исследования нервного импульса при помощи двух микро­электродов.

Длительности At подаваемого импульса необходимо увеличивать силу тока / — эти две величины обратно пропорциональны. Для длительных прямоугольных импульсов существует минимальная

Сила тока, достаточная для возбуждения; более слабый ток неэффективен при лю­бой длительности.

Fta рис. 3/S показана кривая зависимости силы порогового тока от длитель­ности импульса. Кривая имеет гиперболическую фор­му. Было предложено опи­сывать ее эмпирической формулой

/п = а/At - f b,

Где Іп— пороговый ток, At— длительность импульса, b — так называемая реобаза — минимальное значение возбуждаю­щего тока при At-> оо. При очень коротких импульсах, т. е. при At—>-0 /п = а/At, т. е. произведение IaAt есть константа, харак­теризующая пороговое значение количества электричества при коротких импульсах. Из приведенной формулы следует, что при /п = 2b получим А^хр = а/Ь. В действительности, однако, ока­залось, что при At = ajb /п~1,4Ь и простая эмпирическая формула несправедлива во всем интервале значений A^.j

166

Рисі 4.6. Зависимость силы порогового тока от длительности импульса.

Если сообщить волокну два последовательных стимула, раз­деленных некоторым интервалом времени, то возникающая си­туация зависит от этого интервала. Немедленно после генера­ции импульса данное место волокна находится в абсолютном

Рефрактерном состоянии, т. е. не может быть возбуждено вновь. Затем следует относительное рефрактерное состояние. В таком состоянии заметно увеличено значение порогового потенциала и может возникнуть лишь медленно распространяющийся им­пульс. Продолжительность всего рефрактерного состояния варьирует от одной до нескольких миллисекунд.

В состоянии покоя аксоплазма имеет отрицательный заряд по отношению к внешней среде, характеризуемый потенциалом покоя около 80 мВ. Пороговое возбуждение при этом имеет потенциал, примерно равный —50 мВ, а потенциал действия при надпороговом возбуждении равен потенциалу противоположного знака, составляющему около 40 мВ. Это изображено схематиче­ски на рис. 4.7 [4].

Прохождение импульса определяется изменением состояния мембраны аксона при ее стимуляции. Как уже говорилось, в со­стоянии покоя клеточной мембраны в результате активного транспорта ионов концентрация ионов К+ в цитоплазме (аксо - плазме) значительно превосходит их концентрацию во внешней среде, а для ионов Na+ ситуация противоположна^ В табл. 4.2 [3] приведен состав аксоплазми аксонов Loligo и состав плазмы крови, характерный для внешней среды, и близкий к нему со­став морской воды.

Таблица 4.2 Концентрация нонов н других веществ в аксонах Loligo

Концентрация, ммоль на 1 кг НаО

При наложении на мембрану стимулирующего потенциала вначале увеличивается ее проницаемость для ионов Na+, в со­стоянии покоя значительно меньшая проницаемости для ионов К+. Ионы Na+ входят в аксон, в результате чего внутренняя по­верхность мембраны изменяет знак своего заряда с отрицатель­ного на положительный. Иными словами, происходит деполяри­зация мембраныЛЕсли воспользоваться для выражения разно­сти потенциалов на двух сторонах мембраны аксона формулой (3.105)

+ + (4.1)

^ РКСК + PNacNa + РС1сС\ '

То состояние покоя мембраны характеризуется следующим отно­шением ионных проницаемостей:

Рк ■ ^Na •' Реї = 1 : 0,04:0,45.

В состоянии возбуждения, отвечающем генерации потенциала действия, имеем

Рк: Pnа: Ра = 1 :20: 0,45.

Подчеркнем, что истолкование возбуждения как результата из­менения ионных проницаемостей является феноменологическим и не раскрывает молекулярный механизм процесса.

Наружная среда

Активный участок

+ + + - - - - + + + + +

Импульс Э-

Электрические токи, возникающие при деполяризации мембраны аксона.

При деполяризации мембраны возникают токи, замыкаю­щиеся через наружную проводящую среду (рис. 4.8) [5]. Они возбуждают следующий участок аксона.

Таким образом, согласно мембранной теории при генерации импульса в мембране аксона открывается некий «канал», сквозь который ионы Na+ проникают внутрь аксона, вызывая деполя­ризацию мембраны. Во время генерации импульса натриевый канал закрывается и открывается калиевый канал. Ионы К+ выходят наружу, что приводит к восстановлению нормального отрицательного заряда на внутренней стороне мембраны. Про­исходит реполяризация мембраны. После прохождения рефрак­терного периода мембрана приобретает способность передавать новый импульс (рис. 4.9) (4].

+40 О

-за

3

Оотенциол действия

Птещиал пот

+ к - - у + + + + + + + + + + + +

Їфі TtII 'МрЖ. 111111

+ T —+ + + + + + + + + + + ®

+40

О

+ + + + + + + + І " + + + + + + + + + + + + + + ї—+ + + + + +

+40 О

-ВО

Рис. 4.9. Распространение нервного импульса сопровождается изменениями нонной проницаемости мембранного аксона.

Наружный раствор

/ / і ±

А/гсоплаэма

\

Рнс. 4.10. Эквивалентная схема элемента возбудимой мембраны аксона.

Как видно из рис. 4.8, суммарный продольный ток через сечение аксона и окружающую среду равен нулю — в любом месте внутренние токи равны по силе и противоположны по на­правлению. Но плотность продольного тока и продольная раз­ность потенциалов между двумя точками внутри аксона иные, чем снаружи.

Мембрана аксона имеет сопротивление 1000 Ом-см2, ее емкость равна 1 мкФ/см2, что соответствует бимолекулярному липидному слою толщиной 50 А с диэлектрической проницае­мостью е=5 и удельным сопротивлением 2-Ю9 Ом-см. Во время генерации импульса проводимость мембраны увеличи­вается примерно в 1000 раз. Можно моделировать электрические свойства мембраны эквивалентной схемой, показанной на рис. 4.10 [3]. Рисунок изображает лишь один элемент мембраны, и следует представить себе длинную линейную последователь­ность таких элементов, моделирующих непрерывный кабель. Сопротивление R характеризует аксоплазму, наружный раствор имеется в большом избытке и изображается проводником без сопротивления. Натриевая и калиевая «батареи» и S'k,

Определяют генерацию импульса, добавочная «батарея» Sy от­ветственна за движение других ионов, не изменяющееся при возбуждении.

Таким образом, распространение импульса представляет со­бой самоподдерживающийся процесс, подобный горению бик­фордова шнура. Очевидно, что процесс этот сводится к превращению химической энергии в электрическую.

Как уже сказано, рас­пространение импульса в миелинизированном волок­не происходит быстрее, чем в немиелинизированном. До­казано, что в миелинизи­рованном аксоне проведе­ние импульса является сальтаторным, т. е. происходит путем пе­рескока импульса от одного перехвата Ранвье к другому. Ка­лиевые и натриевые каналы открываются и закрываются только в перехватах Ранвье — миелинизированные участки хорошо изо­лированы. Миелин имеет малую емкость, чем и объясняется большая скорость проведения импульса. Схема сальтаторного проведения импульса показана на рис. 4.11. ^

РирГ 4.Т7Т^ Схема сальтаторного проведе­ния импульса. пР—перехват Ранвье, л —миелин, а — аксо-

Прямые доказательства сальтаторной їеории, впервые пред­ложенной Лилли [16], были получены в работах Кубо, Оно и Юге (см. [17]). В одиночном нервно-мышечном препарате, погруженном в раствор Рингера, пороговая величина стиму­
лирующего тока зависит от расстояния между стимулирующим микрозлектродом и перехватом Ранвье. Она имеет наименьшее значение, если микрозлектрод помещен непосредственно в пере­хвате. Количественная теория этого эффекта была развита Та - саки (см. [6]).

Обозначим потенциалы трех последовательных перехватов — 1, 0 и 1 буквами ifi_i, if)0 и ij)j. Если миелин представляет собой идеальный изолятор, то ток, протекающий внутри аксона от 1 к 0, пропорционален if>i— if>o, от 0 к —1 — пропорционален ■ф-i — if>o. Через перехват 0 идет ток І, пропорциональный (грі — ij)0) - f (\j)_i — %,). Имеем

' = І{(+-,-*о) + (+,-+о)}. (4.2)

Где R — сопротивление между двумя соседними перехватами (оно равно примерно 20 МОм).

Расстояния между микроэлектродом и перехватами 0, 1 и —1 равны Хо, Х\, х-\. Разность потенциалов, создаваемая мик­роэлектродом, дающим ток I, равна

Где р — удельное сопротивление среды (для раствора Рингера оно равно 100 Ом-см). Из (4.2) и (4.3) получаем

TOC \o "1-3" \h \z i = Ч (4-4)

4яR \ х0 х\ х-1 ) 4 '

И если микроэлектрод очень близок к перехвату 0, т. е. Хи Х-1 » *0, то

= (4-5)

В опытах варьировалось расстояние х0 и при каждом значении Хо определялась величина /, отвечающая критическому значе­нию і — іс. Опытные данные действительно согласуются с ли­нейной зависимостью I от х0

І= — Ісх0. (4.6)

Установлено, что факторы, блокирующие распространение им­пульса (кокаин, уретан, ультрафиолетовое облучение), дей­ствуют именно на перехваты Ранвье, но не на участки между ними.

Прямые и строгие доказательства сальтаторной теории по­лучены в работах Тасаки и его сотрудников [6, 18, 19]. Основной опыт ставился на одиночном волокне, лежащем в трех каплях раствора Рингера, разделенных двумя воздушными промежут­ками, расстояние между которыми равнялось приблизительно 1 мм (рис. 4.12) [3]. В первом опыте (рис. 4.12, а) в средней капле находилась только миелинизированная часть аксона, во втором (рис. 4.12,6)—в средней капле находился перехват Ранвье. Измерялся радиальный ток. Через сопротивление R проходит ток, равный il2— г23, где i\2— ток, текущий в наружной цепи от капли 1 к капле 2, і23— от капли 2 к капле 3. Эта раз­ность равна току, входящему в волокно из капли 2.

1ме 1ма

Рис. 4.12. Мембранный ток:

А—через участок аксона, расположенный между перехватами Раивье, б —через перехват Ранвье. Отклонение осциллограммы вверх соответствует выходящему току.

В первом опыте радиальный ток направлен наружу, что объ­ясняется пассивным разрядом миелинизированного участка че­рез перехват. Правый перехват разряжается позже левого, со­ответственно на осциллограмме видны два пика. Во втором опыте первая фаза тока направлена наружу, что означает пас­сивную деполяризацию перехвата. Во второй фазе ток направ­лен внутрь — перехват Ранвье находится в активном состоянии. Эти опыты однозначно подтверждают теорию (дальнейшие по­дробности см. в [3, 6, 18, 19]).

Мембранная теория в целом непосредственно подтверждается опытами с перфузией аксонов. Оказалось возможным выдавить аксоплазму из гигантского аксона Loligo без повреждения мембраны и заменить аксоплазму искусственными растворами (см. [3, 6, 20—22]). Перфузированные аксоны способны прово­дить до 105—106 импульсов в течение нескольких часов.

Потенциал покоя исчезает при равенстве наружной и внут­ренней концентраций калия. При замене в аксоплазме КС1 на NaCl потенциал покоя падает до нуля. В то же время потен­циал покоя малочувствителен к концентрациям К+, меньшим 20 мМ (см. также § 3.6). Перфузионные опыты показывают, что потенциал покоя действительно регулируется ионами калия.

При указанной замене К. С1 на NaCl и значительном увеличении концентрации К (до 600 мМ) создается положение, обратное нормальному, и внутренняя часть волокна заряжается положи­тельно, а не отрицательно по отношению к наружной среде. И в самом деле, при заполнении волокна, погруженного в изо­тонический раствор КС1, таким же раствором NaCl внутренний раствор заряжен положительно по отношению к наружному и <р составляет 50—60 мВ.

Прямые опыты с мечеными атомами показывают, что прове­дение импульса связано с возрастанием скорости движения ка­лия и натрия по градиентам концентрации. В гигантском аксоне каракатицы Sepia при каждом импульсе наблюдается входящий поток Na+, равный 10,3-Ю-12 моль/см2, и выходящий поток 6,6-Ю-12 моль/см2. Чистый вход Na+ 3,7-Ю-12 моль/см2 за им­пульс примерно равен выходу К+. Действительно, для изменения напряжения конденсатора емкостью 1 мкФ на 120 мВ нужен за­ряд 0,12-Ю-6 Кл, что эквивалентно 1,3-Ю-12 моль/см2 однова­лентного катиона. Таким образом, измеренный вход Na+ более чем достаточен для возникновения потенциала действия.

За один импульс в немиелинизированном аксоне через 1 мкм2 поверхности проходит около 20 000 ионов Na+. В миелинизиро - ванном аксоне за один импульс через каждый перехват Ранвье входит 6-Ю6 ионов Na+. Площадь мембраны в перехвате при­мерно равна 20 мкм2, следовательно, через 1 мкм2 проходит 300 000 ионов Na+. Плотность ионного тока в перехвате примерно в 10 раз больше, чем в немиелинизированных гигантских аксонах.

Мембранная теория встречается, однако, с трудностями при попытках объяснить тепловые явления в нерве. Согласно мем­бранной теории генерация импульса происходит за счет свобод­ной энергии, определяемой градиентом концентрации ионов Na+. Если перенос ионов адиабатичен, то система, совершая электри­ческую работу, должна охлаждаться. Однако оказалось, что во время генерации импульса сначала происходит нагревание нерва, за которым следует охлаждение [23]. Аналогичное явле­ние наблюдается при разряде электрического органа угря на внешнее сопротивление [24]. Эти тепловые явления до сих пор не объяснены. Несомненно, что мембрана аксона представляет собой диссипативную систему, и можно думать, что к рассмот­рению генерации нервного импульса применима неравновесная термодинамика. Соответствующая теория еще не построена, она должна описать и теплопродукцию нерва. Подлинное объ­яснение этих явлений требует, однако, раскрытия их молеку­лярных механизмов.

В заключение приведем электрические характеристики мие- линизированного нервного волокна лягушки (табл. 4.3) [3].

Таблица 4.3

Электрические характеристики аксона