Скорость распространения нервных импульсов
Скорость проведения нервного импульса от 0,5 до 120 м/с.
В 1830 г. один из крупнейших физиологов XIX века Иоганн Мюллер заявил, что скорость распространения ПД измерить невозможно.
По его мнению, поскольку ПД – это электрический импульс, он должен проводиться со скоростью, примерно равной скорости света (3–1010 см/с); учитывая небольшие размеры биологических объектов, даже с помощью лучших инструментов того времени измерить такую скорость было невозможно.
Спустя 15 лет один из студентов Мюллера Герман фон Гельмгольц с помощью простого и изящного эксперимента, который легко воспроизвести на студенческом лабораторном практикуме (рис. 6–8), измерил скорость распространения импульсов в нерве лягушки.
В своих опытах Гельмгольц раздражал нерв в двух участках, отстоящих друг от друга на 3 см, и измерял время от момента подачи стимула до максимума мышечного сокращения.
Предположим, что при раздражении дистального (расположенного ближе к мышцам) участка это время уменьшается на 1 мс. Тогда скорость распространения импульсов V равна
| V | = | d | / | t | = | 3 см | / | 1 мс | = | · | 103 | см/с |
| Рис. 6.8. Экспериментальная установка, аналогичная той, с помощью которой Гельмгольц измерил скорость распространения импульсов в нерве лягушки. Стимулирующие электроды сначала подводились к точке Ст1, а затем к точке Ст2. К мышце был подсоединен рычаг, заостренный конец которого вычерчивал кривую на закопченном листе бумаги, быстро передвигаемом в продольном направлении. |
Эта величина оказалась на семь порядков меньше, чем скорость распространения электрического тока в медном проводнике или в растворе электролита. Отсюда Гельмгольц сделал совершенно правильный вывод, что проведение нервного импульса –это более сложный процесс, чем простое продольное распространение тока в нервном волокне.
Скорость распространения импульсов в различных аксонах варьирует от 120 м/с (в некоторых крупных волокнах) до нескольких сантиметров в секунду (в очень тонких аксонах). Эти различия между скоростью проведения в разных волокнах иллюстрируют табл. 6–1 и рис. 6–9.
Скорость распространения импульса в значительной степени зависит от того, как быстро участок мембраны, расположенный на определенном расстоянии от места подачи стимула, деполяризуется местными токами до порогового уровня. Чем выше постоянная длины волокна, тем дальше могут распространяться эти токи, тем быстрее происходит деполяризация мембраны впереди от места возбуждения и, следовательно, тем выше скорость распространения импульса.
Влияние постоянной длины на эту скорость можно продемонстрировать, если поместить аксон в масло или в воздух. При этом на поверхности аксона остается лишь тонкая пленка солевого раствора, и постоянная длины уменьшается из–за увеличения наружного продольного сопротивления [в уравнении (6–2) –r0]. В этих условиях скорость проведения возбуждения будет ниже чем при погружении аксона в солевой раствор.
Таблица 6–1. Классификация нервных волокон лягушки по их диаметру и скорости проведения возбуждения (Erlanger, Gasser, 1937)
| Группа волокон | Диаметр, мкм | Скорость, м/с |
| A α | 18,5 | |
| β | 14,0 | |
| γ | 11,0 | |
| B | — | 4,2 |
| C | 2,5 | 0,4 –0,5 |
| Рис. 6.9. Скорость распространения возбуждения в различных группах волокон нерва лягушки. А. Экспериментальная установка для стимуляции пучка нервных волокон и регистрации возникающих при этом потенциалов. Б. Составной потенциал действия, записанный с помощью внеклеточных электродов и представляющий собой сумму потенциалов во всех возбужденных волокнах пучка. Волокна группы α имеют наибольший диаметр и характеризуются самой высокой скоростью проведения. Напротив, у волокон группы γ как диаметр, так и скорость проведения наиболее низки (см табл. 6–1). Стимуляция осуществлялась до момента начала регистрации. |
В процессе эволюции живые организмы выработали два способа увеличения постоянной длины аксона и тем самым–скорости распространения импульса. Один из них (типичным примером могут быть гигантские аксоны кальмаров, членистоногих кольчатых червей, костистых рыб) – это увеличение диаметра аксона, т. е. уменьшение внутреннего продольного сопротивления [в уравнении (6–2) – ri]
Подробнее этот вопрос рассмотрен в дополнении 6–2. Гигантские аксоны развились в процессе эволюции у некоторых видов животных для того, чтобы обеспечивать быструю синхронную активацию двигательных рефлексов, например движений мантии у кальмара и рефлекса отдергивания либо избегания у некоторых членистоногих (раков, тараканов) и кольчатых червей (например, земляных).
Сальтаторное проведение
Второй способ увеличить скорость проведения нервных импульсов, реализовавшийся только у позвоночных животных, состоит в изоляции участков аксона с помощью миелиновой оболочки. При этом постоянная длины соответствующих участков значительно увеличивается, и тем самым существенно облегчается проведение тока в продольном направлении.
По мере развития животного миелин откладывается вокруг периферических и центральных аксонов глиальными клетками, расположенными вблизи этих аксонов. В результате вокруг волокон образуется плотная многослойная оболочка из клеточных мембран. К клеткам, синтезирующим миелин, относятся шванновские клетки (в области периферических нервов) и олигодендроциты (рис. 6–10) (в ЦНС).
На поперечных срезах миелиновой оболочки видны периодически повторяющиеся промежутки в 12 нм, образующиеся в результате наслоения мембран глиальных клеток. С образованием каждого нового слоя поперечное сопротивление оболочки увеличивается. Поскольку слоев в этой оболочке много, ее емкость гораздо ниже, чем у одиночной мембраны.
Многослойная миелиновая оболочка периодически прерывается (так называемые перехваты Ранвье}, и на этих небольших участках возбудимая мембрана аксона контактирует с внеклеточной средой. Между перехватами Ранвье миелиновая оболочка тесно прилегает к мембране аксона, практически вытесняя внеклеточную среду. Кроме того, участки мембраны аксона между перехватами Ранвье, по–видимому, не содержат натриевых каналов.
| Рис. 6.10. Перехват Ранвье. Показан короткий «голый» участок аксона, расположенный между двумя миелинизированными участками. Именно этот участок возбуждается при сальтаторном проведении. На рис. 4–12 приведена электронная микрофотография, на которой видна многослойная миелиновая оболочка, образуемая мембранами глиальных клеток. (Bunge et al., 1961.) |
Благодаря изолирующим свойствам миелиновой оболочки постоянная длины аксона резко возрастает: наличие этой оболочки оказывает такой же эффект, как и увеличение rм [уравнение (6–2)]. Из–за высокого сопротивления миелиновой оболочки местные токи, текущие впереди от волны возбуждения, выходят из аксона почти исключительно в области перехватов Ранвье.
Кроме того, поскольку емкость толстой миелиновой оболочки мала, на перезарядку этой емкости в участках между перехватами расходуется лишь очень небольшой ток. Благодаря этим особенностям ПД, возникающий в каком–либо перехвате, электротонически деполяризует лишь мембрану, расположенную в области следующего перехвата, и поэтому импульсы в таких аксонах не распространяются по всей их длине, как в немиелинизированных нервных волокнах (например, в аксоне кальмара). Они возникают лишь в небольших участках мембраны –перехватах Ранвье.
Все это обусловливает сальтаторное (скачкообразное) проведение, при котором импульсы распространяются прерывисто от перехвата к перехвату (рис. 6–11). Скорость распространения. ПД при этом резко увеличивается, поскольку электротоническое проведение местных токов между перехватами осуществляется очень быстро. Таким образом, у позвоночных животных Природа решила проблему быстрого распространения нервных импульсов, не прибегая к созданию таких громоздких структур, как гигантские аксоны.
Что такое нервный импульс?
Не́рвный и́мпульс это распространение по нервным волокнам возбуждения (биоэлектрического импульса) в ответ на раздражение нейронов.
Во второй половине 19 века в работах Г. Гельмгольца и Э. Геринга на нерве лягушки было показано, что биоэлектрический сигнал (ток, или потенциал действия), в отличие от электрического тока в обычном проводнике, распространяется по нервному волокну с конечной скоростью (3-120 м/сек).
Возможность распространения нервных импульсов по нервным волокнам определяется их строением, напоминающим строение электрического кабеля, где роль проводника играют аксоны, а роль изолятора — миелиновая оболочка аксона, представляющая собой мембрану шванновской клетки, намотанную на аксон в несколько слоев.
Основной компонент миелиновой оболочки — липопротеид миелин, обладающий свойствами диэлектрика. Скорость распространения нервных импульсов зависит как от диаметра нервных волокон (чем толще волокно, тем выше скорость), так и от степени их электрической изоляции, так как покрытые миелином волокна при прочих равных условиях быстрее проводят нервные импульсы. Миелиновая оболочка покрывает волокно не непрерывно по всей его длине, а образует подобие изолирующих керамических «муфт», плотно нанизанных на аксон, как на стержень электрического кабеля.
Между соседними «муфтами» из миелина остаются лишь небольшие электрически неизолированные участки, через которые ионный ток может легко вытекать из аксона в наружную среду и обратно, раздражая мембрану и вызывая генерацию потенциала действия исключительно в неизолированных участках аксона, получивших название перехватов Ранвье. Нервный импульс распространяется по миелинизированному нервному волокну скачками — от одного перехвата Ранвье до следующего, что значительно повышает скорость распространения возбуждения от клетки к клетке.
Скорость распространения нервного импульса по толстым миелинизированным волокнам (диаметром 10-20 микрон) у человека достигает 70-120 м/сек, а по самым тонким немиелинизированным нервным волокнам — на два порядка ниже (менее 2 м/сек).
Способность вырабатывать нервные импульсы — одно из основополагающих свойств нейронов.
Нервные импульсы обеспечивают быстрое проведение однотипных сигналов (потенциалов действия) по аксонам на большие расстояния и поэтому являются важнейшим средством обмена информацией как между нервными клетками, так и между нервными и другими типами клеток. Информация о силе раздражения нервной клетки кодируется и передается другим клеткам путем изменения частоты следования нервных импульсов.
Частота следования может варьировать от единиц до сотни нервных импульсов в секунду. Частотный код предполагает сложную периодику следования нервных импульсов, в том числе группирование их в «пачки» с разным числом и характером следования сигналов. Сложная пространственная и временная суммация нервных импульсов составляет основу ритмической электрической активности мозга, регистрируемой с помощью электроэнцефалограммы.
Скорость распространения нервного импульса
Скорость распространения нервных импульсов может быть различной: меньше 1 метра в секунду в очень тонких аксонах и около 100 метров в секунду в толстых аксонах {например, в аксонах, иннервирующих мышцы).
Распространяющийся по аксону электрический импульс, доходя до окончаний аксона на другой нервной клетке, внезапно исчезает. Чарлз Шеррингтон, заложивший основы так называемой синаптологии, назвал точки контакта окончаний аксона с другой нервной клеткой «синапсами».
Для того чтобы «перейти» через синапс, нервный импульс должен быть заново генерирован по другую сторону синапса. Еще 15 лет назад некоторые физиологи считали, что передача импульса через синапс — явление в основном (если не полностью) электрического порядка. Теперь, однако, имеются многочисленные доказательства того, что при такой передаче происходит выделение особых веществ, вызывающих регенерацию импульса. Первое убедительное доказательство того, что в синапсе действует вещество-передатчик, было получено более 40 лет назад Г. Дейлом и О. Лёви.
Как известно, центральная нервная система человека (включая, конечно, не только головной мозг, но и спинной) состоит примерно из 10 миллиардов (1010) нервных клеток. Почти все нервные клетки, за редким исключением, получают информацию непосредственно в форме импульсов (смотрите рисунок ниже) сразу от нескольких нервных клеток (нередко от сотен их) и передают ее столь же большому числу клеток.
Возбуждение и торможение нервной клетки
Возбуждение и торможение нервной клетки осуществляют нервные волокна, образующие синапсы на ее поверхности.
Вверху (1) двигательный нейрон в состоянии покоя. Импульсы, приходящие по одному возбуждающему волокну (2), еще не в состоянии вызвать разряд двигательного нейрона. Разряд возникает только тогда, когда импульсы приходят и по второму возбуждающему волокну (3) (пороговое состояние нейрона). Если нейрон получает еще и импульсы по тормозному волокну, то он возвращается в подпороговое состояние (4).
Внизу (б) — импульсы приходят только по тормозному волокну. Электрические импульсы, распространяющиеся по возбуждающим и тормозным нервным волокнам, не отличаются друг от друга. Их противоположное действие объясняется выделением в синаптических окончаниях разных химических передатчиков.
В данной нервной клетке в зависимости от ее порога возбуждения может возникнуть разряд импульсов при раздражении всего лишь нескольких приходящих к ней волокон; в других же случаях разряд импульсов не возникает даже при раздражении многих таких волокон.
Давно известно, что различные факторы способны повышать или понижать порог возбуждения нервной клетки.
Более того, примерно 60 лет назад было высказано предположение, что некоторые волокна должны тормозить разряд импульсов в клетке, к которой они подходят, а не возбуждать ее. Предположение это впоследствии подтвердилось, и в настоящее время механизм торможения выяснен. Двум равноценным процессам — торможению и его антиподу — возбуждению нервной клетки — и посвящена данная статья.
Распространение нервного импульса по нервному волокну
Особенность нервного импульса (потенциала действия) является его самораспространение по нервному или мышечному волокну, в результате которого обеспечивается передача информации от периферических рецепторных окончаний к нервным центрам, а от них к эффекторам.
В мышечных клетках нервный импульс оказывает пусковое влияние на процессы, активизирующие сократительный аппарат. Распространение неровного импульса начинается с момента, когда внутренняя часть нервного волокна заряжается положительно, и разность потенциалов между внутренней средой нерва и наружной может достигать 40-50 мВ.
Проведение нервного импульса можно сравнить с распространением пламени по бикфордовому шнуру: импульс возникает при пороговом запале, идет с определенной скоростью без затухания, передаваясь от возбужденного участка к соседнему – невозбужденному.
В основе объяснения этого механизма лежит теория немецкого физика Л. Германа (1879) и затем А. Ходжкина (1937). Согласно этой теории возникший в точке раздражения потенциал действия является источником раздражения соседнего невозбужденного участка волокна. Это происходит вследствие возникновения круговых, или местных токов между возбужденным (т.е. отрицательно заряженным) и соседним (положительно заряженным) участками мембраны.
В результате местного электро-химического сдвига ионной проницаемости мембраны возникает ее деполяризация и достигается критический пороговый потенциал действия. В зоне первоначально возбужденной в это время восстанавливается потенциал покоя. Затем потенциал действия возникает на следующем участке волокна и т.д. Поэтому волна возбуждения проходит вдоль волокна, не затухая и не поворачивая назад, ибо на соседнем пройденном участке находится рефрактерная зона.
Важное свойство возбудимых тканей рефрактерность. Она определяет прерывистости импульсов. В естественных условиях по нервам непрерывно бегут нервные импульсы. Частота этих ритмических зарядов зависит от силы раздражения. Двигательные нейроны могут проводить около 500 импульсов в секунду, промежуточные – 1000.
Таким образом, распространение (проведение) возбуждения заключается в последовательном возникновении и исчезновении потенциала действия на протяжении нервного или мышечного волокна.
Непрерывное проведение импульсов характерно для мышечного волокна и безмякотных, безмиелиновых нервных волокон, имеющих только шванновскую оболочку.
Таких волокон в нервной системе меньшинство. В мякотных нервных волокнах, имеющих миелиновую оболочку (она является хорошим изолятором) круговые токи могут возникать лишь между двумя соседними (возбужденными и невозбужденными) перехватами Ранвье, где миелин отсутствует. Следовательно, возбуждение в миелинизированных нервных волокнах распространяется скачкообразно, сальтаторно (la salto – скачу, прыгаю).
Скорость проведения импульса в нервных волокнах определяется их гистостроением и диаметром. В миелинизированных нервных волокнах она составляет 30-120 м/сек (6 км/мин, 360 км/ч), в безмякотных — 0,5-3 м/сек, в скелетных 5 м/сек. (рис **)
Особенности проведении нервного импульса:
- — возбуждение проводится в обе стороны по нервному волокну от места раздражения;
- — проведение возбуждения возможно лишь при целостности волокна;
- — более толстые волокна обладают наиболее низким порогом возбуждения;
- — волокна, входящие в состав одиночных или смешанных нервов проводят возбуждение изолированно, т.е. не переходя на другие волокна и адресуются лишь своим клеткам;
Проявлением возбуждения нервных волокон является повышение обменных процессов. Возрастает расход кислорода и выделение СО2 , увеличивается расход АТФ, повышается образование молочной кислоты. В окончаниях аксонов нервных клеток при возбуждении секретируются особые химические вещества – медиаторы, оказывающие возбуждающее или тормозящее влияние на иннервируемые ткани.
