Потенциал покоя нейрона

Выполнение нейроном своих основных функций – генерации, проведения и передачи нервного импульса становится возможно в первую очередь потому, что концентрация ряда ионов внутри и вне клетки существенно различается. Наибольшее значение здесь имеют ионы K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl^-. Калия в клетке в 30-40 раз больше, чем снаружи, а натрия примерно в 10 раз меньше. Кроме того, в клетке гораздо меньше, чем в межклеточной среде, ионов хлора и свободного кальция.

Разность концентраций натрия и калия создается специальным биохимическим механизмом, называемым натрий-калиевым насосом. Он представляет собой белковую молекулу, встроенную в мембрану нейрона (рис. 6) и осуществляющую активный транспорт ионов. Используя энергию АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), такой насос обменивает натрий на калий в пропорции 3 : 2. Для переноса трех ионов натрия из клетки в окружающую среду и двух ионов калия в обратном направлении (т.е. против градиента концентрации) требуется энергия одной молекулы АТФ.

При созревании нейронов происходит встраивание в их мембрану натрий-калиевых насосов (на 1 мкм² может быть расположено до 200 таких молекул), после чего начинается накачка в нервную клетку ионов калия и вывод из нее ионов натрия. В результате концентрация ионов калия в клетке возрастает, а натрия уменьшается. Скорость этого процесса может быть очень большой: до 600 ионов Nа⁺ в секунду. В реальных нейронах она определяется, прежде всего, доступностью внутриклеточного Nа⁺ и резко возрастает при его проникновении извне. В отсутствии любого из двух типов ионов работа насоса останавливается, поскольку она может протекать только как процесс обмена внутриклеточного Nа⁺ на внеклеточный K⁺.

Сходные системы переноса существуют и для ионов Cl^- и Ca²⁺. При этом ионы хлора выводятся из цитоплазмы в межклеточную среду, и ионы кальция обычно переносятся внутрь клеточных органоидов – митохондрий и каналов эндоплазматической сети.

Для понимания процессов, происходящих в нейроне, необходимо знать, что в мембране клетки есть ионные каналы, количество которых задано генетически. Ионный канал – это отверстие в особой белковой молекуле, встроенной в мембрану. Белок может менять свою конформацию (пространственную конфигурацию), в результате чего канал находится в открытом или закрытом состоянии. Существует три основных типа таких каналов:

- постоянно открытые;

- потенциалзависимые (вольтзависимые, электрочувствительные) - канал открывается и закрывается в зависимости от трансмембранной разности потенциалов, т.е. разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями цитоплазматической мембраны;

- хемозависимые (лигандзависимые, хемочувствительные) - канал открывается в зависимости от воздействия на него того или иного вещества, специфичного для каждого канала.

Для изучения электрических процессов в нервной клетке применяется микроэлектродная техника. Микроэлектроды позволяют регистрировать электрические процессы в одном отдельно взятом нейроне или нервном волокне. Обычно это стеклянные капилляры с очень тонким кончиком диаметром меньше 1 мкм, заполненные раствором, проводящим электрический ток (например, хлористым калием).

Если установить два электрода на поверхности клетки, то между ними не регистрируется никакой разности потенциалов. Но если одним из электродов проколоть цитоплазматическую мембрану нейрона (т.е. кончик электрода окажется во внутренней среде), вольтметр зарегистрирует скачок потенциала примерно до -70 мВ (рис. 7). Такой потенциал назвали мембранным потенциалом. Его можно зарегистрировать не только у нейронов, но и в менее выраженной форме у других клеток организма. Но только в нервных, мышечных и железистых клетках мембранный потенциал может изменяться в ответ на действие раздражителя. В этом случае мембранный потенциал клетки, на которую не действуют никаким раздражителем, называют потенциалом покоя (ПП). В разных нервных клетках величина ПП отличается. Она колеблется в пределах от -50 до -100 мВ. За счет чего возникает этот ПП?

Исходное (до развития ПП) состояние нейрона можно охарактеризовать как лишенное внутреннего заряда, т.е. количество катионов и анионов в цитоплазме клетки равноза счет присутствия крупных органических анионов, для которых мембрана нейрона непроницаема. Реально такая картина наблюдается на ранних этапах эмбрионального развития нервной ткани. Затем по мере ее созревания включаются гены, запускающие синтез постоянно открытых K⁺-каналов. После их встраивания в мембрану ионы K⁺ получают возможность за счет диффузии свободно выходить из клетки (где их много) в межклеточную среду (где их гораздо меньше).

Но это не приводит к уравновешиванию концентраций калия внутри и вне клетки, т.к. выход катионов ведет к тому, что в клетке остается все больше нескомпенсированных отрицательных зарядов. Это вызывает образование электрического потенциала, препятствующего выходу новых положительно заряженных ионов. В результате выход калия продолжается до тех пор, пока не уравновесятся сила концентрационного давления калия, за счет которой он выходит из клетки, и действие электрического поля, препятствующее этому. В итоге между наружной и внутренней средой клетки возникает разность потенциалов, или равновесный калиевый потенциал, который описывается уравнением Нернста:

Е_K = ( RT / F ) (ln [К⁺]_о / [К⁺ ]_i ),

где R – газовая постоянная, T – абсолютная температура, F – число Фарадея, [К⁺]_o – концентрация ионов калия в наружном растворе, [К⁺ ]_i – концентрация ионов калия в клетке.

Уравнение подтверждает зависимость, которую можно вывести даже путем логических рассуждений – чем больше разность концентраций ионов калия в наружной и внутренней среде, тем больше (по абсолютной величине) ПП.

Классические исследования ПП проводили на гигантских аксонах кальмара. Их диаметр составляет около 0,5 мм, поэтому все содержимое аксона (аксоплазму), можно без особых проблем удалить и заполнить аксон раствором калия, концентрация которого соответствует его внутриклеточной концентрации. Сам аксон при этом помещали в раствор калия с концентрацией, соответствующей межклеточной среде. После этого регистрировали ПП, который оказался равным -75 мВ. Равновесный калиевый потенциал, рассчитанный по уравнению Нернста для этого случая, оказался очень близок к полученному в эксперименте.

Но ПП в аксоне кальмара, заполненном настоящей аксоплазмой, равен приблизительно -60 мВ. Откуда же возникает разница в 15 мВ? Оказалось, что в создании ПП участвуют не только ионы калия, но и ионы натрия. Дело в том, что кроме калиевых каналов в мембрану нейрона встроены и постоянно открытые натриевые каналы. Их гораздо меньше, чем калиевых, однако мембрана все же пропускает в клетку небольшое количество ионов Na⁺, в связи с чем у большинства нейронов ПП составляет –60-(-65) мВ. Ток натрия также пропорционален разности его концентраций внутри и снаружи клетки – поэтому чем меньше эта разность, тем больше по абсолютному значению ПП. Зависит ток натрия и от самого ПП. Кроме того, через мембрану диффундирует очень небольшое количество ионов Cl^-. Поэтому при расчете реального ПП уравнение Нернста дополняют данными о концентрациях ионов натрия и хлора внутри и вне клетки. В таком случае расчетные показатели оказываются очень близки к экспериментальным, что подтверждает правильность объяснения происхождения ПП диффузией ионов через мембрану нейрона.

Таким образом, конечный уровень потенциала покоя определяется взаимодействием большого числа факторов, основными из которых являются токи K⁺, Nа⁺ и деятельность натрий-калиевого насоса. Конечная величина ПП является результатом динамического равновесия этих процессов. Воздействуя на любой из них, можно смещать уровень ПП и, соответственно, уровень возбудимости нервной клетки.

В результате описанных выше событий мембрана постоянно находится в состоянии поляризации – ее внутренняя сторона заряжена отрицательно по отношению к внешней. Процесс уменьшения разности потенциалов (т.е. уменьшения ПП по абсолютной величине) называется деполяризацией, а увеличения ее (увеличения ПП по абсолютной величине) - гиперполяризацией.

Потенциал действия

Если при помощи какого-либо раздражителя деполяризовать мембрану до определенной величины (например, подав на нее электрический стимул), то на мембране возникнет потенциал действия (ПД). Сначала в месте раздражения разность потенциалов резко уменьшается (фаза нарастания), далее кривая переходит за нулевую линию (положительная фаза ПД или овершут), а затем возвращается к исходному ПП (реполяризация). Средняя длительность ПД составляет около 1,5 мс (рис. 8). Вслед за собственно ПД могут следовать более длительные стадии следовой гиперполяризации либо деполяризации, имеющие, впрочем, небольшую амплитуду.

Раздражитель минимальной величины, на который возникает ответная реакция нейрона, называется пороговым стимулом. Порог возникновения ПД обычно на 15-25 мВ выше ПП, т.е. равен примерно -40-50 мВ. ПД возникает по закону «все или ничего». Это значит, что при любом подпороговом раздражителе клетка не отвечает на него – «ничего», в то же время амплитуда ПД на пороговый раздражитель и на любой раздражитель большей величины одинакова для каждого отдельного нейрона – «все». Таким образом, форма и амплитуда ПД очень стабильны в каждом конкретном нейроне и не зависят от силы запускающего стимула.

Основные ионы, участвующие в генерации ПД – катионы натрия и калия, причем натрий входит в нейрон, а калий выходит. Ионные каналы, через которые они движутся, относятся к потенциалзависимым ионным каналам. Белки этого класса обладают способностью находиться в открытом либо закрытом состоянии в зависимости от разности потенциалов на мембране клетки. Обычно это связано с наличием заряженных фрагментов белковой молекулы – створок. Створки эти чаще всего перекрывают проход канала, если заряд внутри нейрона находится на уровне ПП, и открывают его при деполяризации мембраны. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Если отдельно регистрировать движения (токи) ионов Na⁺ и К⁺ во время ПД, то можно получить следующие кривые (рис 9). Из рисунка видно, что Na⁺-ток возникает практически сразу после запускающего ПД стимула, в течение 0,3-0,4 мс достигает максимума, а затем снижается. Снижение и прекращение Na⁺-тока происходит на фоне еще не завершившегося ПД. Следовательно, время открытия Na⁺-каналов ограничено, и их закрытие происходит вне зависимости от разности потенциалов на мембране.

Калиевый ток, возникнув практически одновременно с натриевым, относительно медленно развивается. Максимума он достигает примерно через 1,0 мс после стимула. К⁺-ток выносит из клетки положительные заряды, возвращая разность потенциалов на мембране к уровню ПП. Закрывание створки происходит после "прохода" порогового для запуска ПД уровня. При этом скорость закрывания также невелика. В результате повышенная проницаемость мембраны для ионов К⁺ сохраняется еще некоторое время. Это позволяет разности потенциалов на мембране достичь уровня ПП, а часто – и опуститься ниже, что вызывает следовую гиперполяризацию. Если потенциал на мембране все же остается выше ПП – наблюдается следовая деполяризация. Оба эти отклонения в дальнейшем затухают за счет деятельности, прежде всего, постоянно открытых ионных каналов.

На вершине ПД потокивходящего натрия и выходящего калия равны, поэтому нет ни роста, ни уменьшения ПД. Вершине натриевого тока соответствует максимальная скорость нарастания ПД, вершине калиевого – максимальная скорость спада.

Примерно в течение 1 мс после закрывания натриевые каналы остаются в полностью инактивированном состоянии, т.е. их открывание невозможно ни при каких условиях. Это состояние абсолютной рефрактерности мембраны, т.е. состояние полной невозбудимости. Такое состояние мембраны не позволяет отдельным ПД накладываться друг на друга. После этого следует период относительной рефрактерности – для возбуждения клетки необходим больший пороговый раздражитель. Существование абсолютной рефрактерности ограничивает максимальную частоту разряда нейрона примерно 500-700 имп/с.

При изучении ПД иногда нужно выделить его натриевую или калиевую составляющие. Для этого используются специальные вещества тетродотоксин и тетраэтиламмоний. Первый из них блокирует натриевые каналы и прекращает генерацию ПД. Тетраэтиламмоний блокирует калиевые каналы и резко удлиняет нисходящую фазу ПД.

Особая группа фармакологических препаратов – анестетики, используется для предотвращения генерации и распространения ПД в периферических нервах. Это позволяет, например, устранить локальные болевые ощущения. Молекулы анестетиков (новокаин, лидокаин и др.) слишком велики, чтобы войти в Na⁺-канал снаружи. Они перекрывают его, проникнув изнутри клетки либо предварительно растворившись в липидной мембране.

Рассмотренная схема генерации ПД является, конечно, весьма упрощенной. Реально как для натрия, так и для калия описаны несколько типов потенциалзависимых каналов, обеспечивающих в ответ на раздражитель не просто возникновение ПД, а возникновение нескольких ритмических ПД и даже возникновение нескольких пачек ПД.

Возникший в нейроне ПД распространяется по нервному волокну. Рассмотрим как осуществляется этот процесс вначале на примере безмиелинового волокна.

Если ПД возникает в некоторой точке электрочувствительной мембраны (т.е. мембраны с потенциалзависимыми каналами), он начинает выполнять функцию запускающего стимула по отношению к соседним ее областям. При этом ток натрия, формирующий первую фазу ПД, оказывает действие, аналогичное влиянию деполяризующего электрического стимула. В результате потенциал-зависимые ионные каналы на еще не активированной мембране начинают открываться, и ПД делает "первый шаг". Развившись в следующей точке, ПД запускает возбуждение в еще более удаленном участке мембраны и т.д. Этот процесс можно уподобить кругу, бегущему по воде от места падения камня. Если импульс исходно возник, например, в аксонном холмике, то вначале он "пробежит" тело нейрона и ближайшую к нему часть аксона; затем дендриты и среднюю часть аксона; затем дальнюю часть аксона и достигнет его пресинаптических окончаний.

В ходе этого распространения фронт ПД движется только в одном направлении – от точки возникновения в разные стороны без "возвратов" назад. Это связано с состоянием абсолютной рефрактерности мембраны после генерации ПД. В результате в каждый момент времени она может проводить сигнал только в одном направлении. Повторное проведение возможно лишь после возврата потенциалзависимых каналов в состояние готовности.

Таким образом, проведение ПД по мембране требует открывания ионных каналов на последовательных участках мембраны, что делает его весьма медленным – около 0,5-1 м/с. Чем больше толщина нервного волокна, тем больше скорость распространения ПД по мембране. Так, в гигантском аксоне кальмара толщиной 1 мм она достигает 10 м/с.

По миелиновым волокнам ПД проводится с еще большей скоростью. В этом случае очередным возбужденным участком при проведении ПД будет не соседняя точка мембраны, а ближайший участок мембраны, не покрытый миелином (перехват Ранвье). В результате импульс будет распространяться сальтаторно (скачкообразно), развиваясь только в перехватах Ранвье. Ширина перехватов – 0,5 мкм (против 0,5-1 мм для миелинового сегмента). Скорость проведения определяется толщиной миелиновой оболочки. При общем диаметре волокна 1 мкм она составляет 3 м/с, при диаметре 22 мкм – 120 м/с (максимальная из известных). Кроме резкого увеличения скорости проведения, такой вариант является и очень экономичным, поскольку изменения ионного баланса в результате ПД происходят только в зоне перехватов.

Конечной целью бегущего по нерву ПД являются пресинаптические окончания. Здесь электрический сигнал превращается в химический, и скачок потенциала на мембране запускает выделение медиатора. Можно сказать, что, пока сигнал остается в границах одного нейрона - он передается в электрической форме (ПД). Для передачи же между нейронами информация преобразуется в химическую форму (медиатор). Подействовав на постсинаптическую мембрану, медиатор вновь переводит сигнал в электрическую форму и т.д. Все это свидетельствует о тесном взаимодействии электрических и химических процессов в ходе реализации различных функций мозга.