Изменение критического уровня деполяризации

Было показано, что условием возникновения потенциала действия является кри­тическая деполяризация мембраны. Если исходный потенциал мембраны перед нане­сением раздражающего стимула обозначить Ео, а критическую величину мембранного потенциала E_K, то указанное условие порогового раздражения можно записать так:

Eo+V=Eк, где V—пороговый потенциал, т.е. величина, на которую необходимо повысить внутренний потенциал мембраны для возникновения импульса.

Эта простая зависимость помогла понять причину известных со времени класси­ческих исследований Пфлюгера (1859) изменений возбудимости нервного волокна в области катода и анода постоянного тока. В области катода мембрана деполяризуется, т. е. значение Ео приближается к величине Ек, соответственно V уменьшается и, сле­довательно, возбудимость возрастает. В области анода, напротив, Ео уменьшается (внутренний потенциал мембраны становится более отрицательным); теперь для кри­тической деполяризации мембраны необходимо ее потенциал сместить на большую величину V—возбудимость снижается (рис. 18).

При длительной деполяризации мембраны развиваются процессы, повышающие кри­тический уровень деполяризации. Такими процессами являются инактивация натри­евых каналов и активация калиевых. Рост Ек при данном значении Ео ведет к увеличе­нию порогового потенциала, т.е. снижению возбудимости (рис. 19). Одновременно с увеличением порога происходит снижение потенциала действия — крутизна его на­растания и амплитуда падают. Такое снижение возбудимости нервного волокна при длительной и сильной деполяризации мембраны было впервые описано Вериго (1889) и получило название катодической депрессии.

Рис.18. Соотношения между исходным уровнем потенциала покоя (Ео), критическим уровнем депо­ляризации (Ек) и пороговым потенциалом (V), в норме (А) и при электротоне (Б, В).

Б — катэлектротоническое снижение порога v₁ наступает в результате приближения потенциала покоя Ео к критическому уровню деполяризации Ек; В — анэлектротоническое повышение порога V₂ является след­ствием удаления исходного уровня потенциала покоя Ео от Ек. Нижняя линия — раздражающий и поляризу­ющий токи: катодный ток — вверх, анодный ток — вниз.

Описанные явления демонстрируют наблюдающиеся в естественных условиях изменения возбудимости нервных клеток и пресинаптических нервных терминалей при действии на них медиаторов, вызывающих кратковременную или длительную деполя­ризацию мембраны. В частности, предполагают, что явление католической депрессии лежит в основе так называемого пресинаптического торможения, наблюдающегося в

цнс.

Рис.19. Католическая депрессия Вериго.

1 — ответ нормального нервного волокна на по­роговый раздражающий ток; 2 — ответ того же воло'кна через 10 с после начала действия като­да подпорогового постоянного тока. Ео, Ек и AV — исходные величины потенциала покоя, критического уровня деполяризации и порого­вого потенциала. E'o, Е'* и AVi — величины тех же параметров во время католической депрес­сии.

Рис.20. Возникновение анодно-размыкатель-ного возбуждения.

а — потенциал действия, возникающий под като­дом при замыкании тока; б — потенциал действия, возникший под анодом при размыкании сильного тока. Стрелкой вниз показано включение анодного тока, стрелкой вверх — его выключение.

В заключение необходимо рассмотреть изменения возбудимости, наблюдающиеся при длительной гиперполяризации мембраны. Такая гиперполяризация (в нервном во­локне она появляется в области приложения анода) приводит к снижению калиевой проницаемости и ослаблению исходной натриевой инактивации. Эти изменения ведут к снижению AV возросшего в начальный момент гиперполяризации мембраны, и увели­чению амплитуды и крутизны нарастания потенциала действия. Если гиперполяризующий ток прикладывается к мембране, которая предварительно была подвергнута воз­действию избытка ионов K⁺ или действию анестетиков, усиливающих исходную нат­риевую инактивацию (т. е. увеличивающих долю каналов, у которых инактивационные «ворота» закрыты), то во время длительной гиперполяризации AV может снизить­ся настолько, что при выключении тока, т. е. при возвращении мембранного потен­циала к его исходной величине, возникает потенциал действия (рис. 20). Такое явле­ние получило название анодно-размыкательного возбуждения. Предполагают, что в некоторых нервных клетках на подобном механизме основано возникновение потен­циала действия после окончания тормозного гиперполяризационного потенциала в ес­тественных условиях. По-видимому, у таких клеток инактивация натриевых каналов и активация калиевых сильно выражены при потенциале покоя в нормальной солевой среде.

Изложенные данные о влиянии деполяризации и гиперполяризации мембраны на ее возбудимость представлены в табл. 2.

Таблица 2

Изменения физиологических параметров мембраны при де- и гиперполяризации

ИЗМЕНЕНИЯ ВОЗБУДИМОСТИ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ

Используя тестирующие стимулы в различные фазы развития потенциала дей­ствия, можно проследить временной ход .изменений возбудимости, сопровождающих возбуждение. На рис. 21 видно, что/ во время развития локального ответа возбуди­мость повышается (мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации); во время пика потенциала действия мембрана утрачивает возбуди­мость, которая постепенно восстанавливается после окончания пика. Период полной невозбудимости получил название «фаза абсолютной рефрактерности». Она обуслов­лена практически полной инактивацией натриевых каналов и повышением калиевой проводимости. Реполяризация мембраны ведет к реактивации натриевых каналов и

Рис.21. Изменения возбудимости нервного во­локна в различные фазы развития потенциала действия и следовых изменений мембранного потенциала.

Для наглядности длительность первых двух фаз на каждой кривой несколько увеличена. Пунктирной линией на рисунке а обозначен потенциал покоя, а на рисунке б — исходный уровень возбудимости.

Рис.22. Изменения потенциалов действия нервного волокна в фазу относительной рефрактерности.

На нервное волокно многократно наносятся два сильных стимула, разделенных различными ин­тервалами.

снижению калиевой проводимости. Это период так называемой относительной реф­рактерности. В данную фазу возбудимость постепенно возрастает.

В нервных волокнах длительность фазы относительной рефрактерности состав­ляет 5—10 мс. При наличии следовой деполяризации фаза относительной рефрактер­ности сменяется фазой повышенной возбудимости («супернормальности»). В этот пе­риод пороговый потенциал AV и соответственно порог раздражения снижены по срав­нению с исходными значениями, поскольку мембранный потенциал ближе к критиче­ской величине, чем в состоянии покоя. В быстрых двигательных волокнах теплокров­ных животных фаза следового повышения возбудимости продолжается до 30 мс (рис. 22).

Следовая гиперполяризация, напротив, сопровождается снижением возбудимо­сти. По своему механизму это снижение возбудимости сходно с тем, которое имеет место при анэлектротоне: АV увеличен за счет удаления мембранного потенциала Е от критической величины Е_K. Сходство это, однако, неполное: при анэлектротоне g_K низко, а во время следовой гиперполяризации g_K увеличено, что также повышает порог - раздражения.