Сергей Баранов – Общие вопросы физиологии человека (страница 3)
Чтобы измерить мембранный потенциал покоя, используют тонкий микроэлектрод, который вводят внутрь клетки, и второй электрод, помещаемый в окружающую жидкость. В момент прокола мембраны и введения микроэлектрода внутрь клетки на экране осциллографа наблюдается смещение луча, которое пропорционально величине потенциала покоя.
Возбуждение нервных и мышечных клеток происходит за счет увеличения проницаемости мембраны для ионов натрия, что связано с открытием натриевых каналов. Внешнее раздражение приводит к перемещению заряженных частиц внутри мембраны и снижению разности потенциалов по обе стороны, или деполяризации мембраны.
Малые деполяризации открывают часть натриевых каналов, что позволяет натрию проникать внутрь клетки, но эти изменения являются подпороговыми и вызывают лишь локальные изменения. При усилении раздражения мембранный потенциал достигает порога возбудимости – критического уровня деполяризации, около 20 мВ, при котором потенциал покоя снижается до примерно минус 50 мВ. Это приводит к открытию значительной части натриевых каналов, и ионы натрия начинают массово проникать внутрь клетки, вызывая резкое изменение мембранного потенциала, которое регистрируется как потенциал действия.
В результате внутренняя сторона мембраны в месте возбуждения становится положительно заряженной, а внешняя – отрицательно.
Весь этот процесс происходит удивительно быстро. Он завершается всего за 1—2 миллисекунды, после чего натриевые каналы закрываются. К этому моменту проницаемость для ионов калия, которая постепенно увеличивалась во время возбуждения, становится значительной. Ионы калия, выходя из клетки, вызывают резкое падение потенциала действия. Однако полное восстановление исходного заряда занимает ещё некоторое время. Поэтому потенциал действия делится на две фазы: кратковременную высоковольтную фазу – пик (или спайк) и долговременные небольшие колебания – следовые потенциалы.
Амплитуда пика потенциала действия в мотонейронах составляет около 100 милливольт, а его длительность – примерно 1,5 миллисекунды. В скелетных мышцах амплитуда потенциала действия достигает 120—130 милливольт, а его продолжительность составляет 2—3 миллисекунды.
В процессе восстановления после потенциала действия натрий-калиевый насос выводит избыточные ионы калия наружу, а недостающие ионы натрия возвращает внутрь клетки, восстанавливая их исходную концентрацию по обе стороны мембраны. Этот механизм требует около 70% всей энергии, необходимой для клеточной активности.
Для возникновения потенциала действия необходимо достаточное количество ионов натрия в окружающей клетку среде. Большие потери натрия, например, через пот при длительных физических упражнениях в жаркую погоду, могут нарушить нормальную функцию нервных и мышечных клеток, что приведет к снижению работоспособности.
Недостаток кислорода в тканях, например, при большом дефиците кислорода во время интенсивной физической нагрузки, также нарушает возбуждение клеток из-за проблем с поступлением ионов натрия, что делает клетку невозбудимой. Этот процесс инактивации натриевого механизма зависит от концентрации ионов кальция (Ca2+) в крови. Повышение уровня Ca2+ снижает возбудимость клеток, а его недостаток увеличивает её, что может вызвать непроизвольные мышечные судороги.
Проведение возбуждения
Потенциалы действия, также известные как импульсы возбуждения, обладают удивительной способностью распространяться вдоль нервных и мышечных волокон.
В этом удивительном процессе, потенциал действия действует как сильный раздражитель для соседних участков волокна. Его амплитуда обычно в 5—6 раз превышает пороговую величину деполяризации, обеспечивая высокую скорость и надежность передачи.
При взаимодействии между возбужденной зоной, где внешние заряды волокна противоположны внутренним, и соседним не возбужденным участком мембраны, возникают электрические токи, называемые местными токами. Эти токи вызывают деполяризацию соседнего участка, увеличивая его ионную проницаемость и вызывая потенциал действия. В исходной точке возбуждения потенциал покоя восстанавливается. Таким образом, энергия передается через местные токи, распространяя возбуждение на соседние участки нервного волокна, аналогично проведению нервного импульса. В процессе продвижения амплитуда потенциала действия не уменьшается, независимо от длины нерва.
С эволюцией от безмякотных (без миелиновой оболочки) нервных волокон к мякотным (с миелиновой оболочкой), скорость проведения нервного импульса значительно возросла. Для безмякотных волокон характерно непрерывное проведение возбуждения, которое охватывает каждый участок нерва. В мякотных волокнах, почти полностью покрытых изолирующей миелиновой оболочкой, ионные токи могут проходить только через незакрытые участки мембраны – узелки Ранвье. В этом процессе возбуждение перескакивает от одного узелка к другому, что и дало название «сальтаторное проведение» (лат. saltus – прыжок). Этот способ не только увеличил скорость передачи, но и сделал процесс более эффективным. Возбуждение охватывает лишь небольшую часть поверхности мембраны волокна, что означает меньшее энергопотребление на транспорт ионов через мембрану во время возбуждения и восстановления.
Скорость проведения нервных импульсов в разных волокнах может варьироваться. Более крупные нервные волокна проводят сигналы быстрее: расстояния между узелками Ранвье больше, а скачки длиннее. Наибольшую скорость имеют двигательные и проприоцептивные афферентные волокна – до 100 м/с. В то время как тонкие симпатические волокна (особенно необвитые миелином) проводят сигналы медленнее – от 0.5 до 15 м/с.
Во время возникновения потенциала действия мембрана полностью теряет возбудимость. Это состояние называется абсолютной рефрактерностью, за которой следует относительная рефрактерность, когда новый потенциал действия может возникнуть только при очень сильном раздражении. Постепенно возбудимость восстанавливается до исходного уровня, завершая этот цикл возбуждения и передачи сигнала.
ЦЕНТРАЛЬНАЯ НЕРВНАЯ СИСТЕМА
В нашем организме нервная система играет ключевую роль. Она делится на две основные части: периферическую – это нервные волокна и узлы, и центральную – это спинной и головной мозг.
Основные функции ЦНС
Центральная нервная система (ЦНС) – это главный дирижер нашего организма. Она контролирует все наши системы, приспосабливаясь к изменениям окружающей среды и нашим внутренним потребностям.
У высших животных, включая нас, людей, главной частью ЦНС является кора больших полушарий мозга. Она управляет самыми сложными аспектами нашей жизни, такими как мысли, чувства, речь и память.
Методы исследования функций ЦНС постоянно улучшаются. Это включает удаление и раздражение (на пациентах и животных), регистрацию электрических сигналов и изучение условных рефлексов.
Новейшие методики позволяют нам лучше понять мозг. Компьютерная томография помогает видеть изменения в его структуре и функциях. Инфракрасная тепловая съемка показывает активность различных участков мозга. А изучение магнитных колебаний открывает новые понимания его работы.
Функции и взаимодействие нейронов
Кирпичиками, из которых строится нервная система, являются нейроны, другими словами – нервные клетки.
Нейроны: основные архитекторы передачи информации
Нервные клетки, или нейроны, играют важную роль в нашем организме. Они передают сигналы от одной части тела к другой, позволяя им взаимодействовать. Внутри нейронов происходят различные процессы обработки информации, которые определяют наши реакции на внешние и внутренние стимулы.
Нейроны выполняют три основные функции: принимают входные сигналы, обрабатывают их и передают дальше. Для этого у них есть особые структуры: дендриты, которые получают сигналы, и аксоны, через которые сигналы передаются дальше. Начальный сегмент аксона и аксональный куполок играют ключевую роль в передаче нервных импульсов.
Вот как примерно выглядит весь процесс: дендриты собирают информацию, аксон передает эту информацию другим нейронам или к исполнительным органам, таким как мышцы или железы. Именно благодаря этим процессам мы можем реагировать на окружающий мир и поддерживать работу организма.
Разнообразие нейронов
Среди нейронов есть три важные группы: афферентные, эфферентные и промежуточные. Афферентные нейроны, также известные как чувствительные или центростремительные, передают информацию от рецепторов к Центральной Нервной Системе (ЦНС). Их тела располагаются в спинномозговых узлах и узлах черепных нервов, а их длинные дендриты контактируют с рецепторами на периферии. Аксон афферентных нейронов входит в спинной мозг через задние рога.
Эфферентные нейроны, также известные как центробежные, передают информацию от верхних слоев нервной системы к нижним или от ЦНС к органам-исполнителям. Они имеют разветвленную сеть коротких дендритов и один длинный аксон.
Промежуточные нейроны, или интернейроны, обеспечивают связь между различными нейронами, включая афферентные и эфферентные. Они передают нервные сигналы как в горизонтальном (например, в пределах одного сегмента спинного мозга), так и в вертикальном направлении (например, между разными сегментами спинного мозга). Благодаря многочисленным ветвям своего аксона, промежуточные нейроны способны одновременно приводить в состояние возбуждения большое количество других нейронов.