План
Скорость проведения потенциала
Продвижение потенциала действия вдоль нервного волокна зависит от пассивного распространения тока в соседние участки мембраны, которое вызывает в них деполяризацию до порогового уровня. Для иллюстрации этого свойства представим себе потенциал действия, «замерший» во времени, и обрисуем общую картину распределения потенциала вдоль волокна. Размер участка мембраны, находящегося под влиянием потенциала действия, зависит от его длительности и скорости проведения. К примеру, если длительность потенциала действия равна 2 мс, а скорость его проведения 10 м/с (10 мм/мс), то потенциал распространится на участке мембраны с 2 см. В том месте, где мембранный потенциал достиг порога (т. е. на переднем фронте потенциала действия), происходит массивный вход натрия в направлении электрохимического градиента, приводящий к дальнейшей деполяризации мембраны. Как и в случае инъекции тока через микроэлектрод, входящий ток распространяется в продольном направлении от активного участка. Этот распространяющийся ток вызывает деполяризацию участка, соседнего с активным, до порогового уровня. Позади от пика потенциала действия, напротив, калиевая проводимость настолько высока, что ток через калиевые каналы вызывает реполяризацию мембраны до уровня покоя.
Импульсы обычно зарождаются в одном конце аксона и перемещаются к другому его концу. Однако, не существует предпочтительного направления распространения импульса. Импульсы, производимые в нейромышечном соединении, расположенном в середине мышечного волокна, распространяются в обоих направлениях от середины мышцы к сухожилию. Тем не менее, за редким исключением потенциал действия не способен изменить направления своего движения по волокну. Причина этого в рефрактерном периоде. В зоне рефрактерности, натриевые каналы в основном инактивированы, а калиевая проводимость высока, поэтому распространение регенерирующего процесса в обратную сторону невозможно. После того, как потенциал действия ушел из данного участка волокна, мембранный потенциал возвращается к уровню покоя, инактивация натриевых каналов снимается, калиевая проводимость снижается до нормального уровня, и участок вновь становится возбудимым.
Скорость проведения потенциала действия зависит от того, насколько быстро и насколько далеко впереди от активного участка происходит, благодаря распространению положительного заряда, деполяризация мембраны до порогового уровня. Это, в свою очередь, зависит от величины тока, генерируемого в активном участке, а также от кабельных свойств волокна. Если постоянная времени мембраны мала, то мембрана будет деполяризоваться быстро, что ускорит проведение. Если постоянная длины, А = (rm/ri)1/2, велика, то деполяризующий ток будет распространяться на большое расстояние от активного участка, что также увеличит скорость проведения.
Как эти факторы соотносятся с размером волокна? Как уже отмечалось выше, постоянная времени не зависит от размера. Постоянная длины, напротив, пропорциональна квадратному корню диаметра волокна. Следовательно, толстые волокна проводят быстрее, чем тонкие. Более детальное теоретическое рассмотрение показывает, что в немиелинизированных волокнах, таких как аксон кальмара, скорость проведения должна быть прямо пропорциональна корню квадратному диаметра волокна.
В нервной системе позвоночных нервные волокна большего диаметра обычно миелинизированы. На периферии миелин образуют шванновские клетки, а в ЦНС — олигодендроциты. Эти клетки плотно облегают нейроны, обвиваясь вокруг них. Мембраны так плотно соприкасаются друг с другом, что цитоплазма выдавливается из зазора между ними, в результате чего образуются тесно упакованные спиральные мембранные «обертки». Количество оберток (ламелей) варьирует от 10-20 до 160. Наличие 160 ламелей означает, что между плазматической мембраной аксона и внеклеточной жидкостью последовательно располагается 320 мембран. Таким образом, эффективное сопротивление мембраны возрастает в 320 раз, и во столько же раз снижается мембранная емкость. Миелин составляет обычно от 20 до 40 % общего диаметра волокна. Миелиновая оболочка прерывается через равные промежутки так называемыми перехватами Ранвье, в которых собственная мембрана аксона не покрыта миелином. Расстояние между перехватами обычно в 100 раз превосходит внешний диаметр волокна и составляет от 0,2 до 2 мм.
Функция миелиновой оболочки состоит в том, чтобы обеспечить протекание тока главным образом в перехватах, благодаря высокому сопротивлению и низкой емкости миелинизированных участков мембраны между ними. В результате возбуждение перемешается скачкообразно от перехвата к перехвату, и скорость проведения при этом значительно возрастает. Такое импульсное проведение получило название сальтаторного (от латинского saltare — прыгать). Сальтаторное проведение не означает, что потенциал действия может протекать лишь в одном перехвате Ранвье в каждый отдельно взятый момент. В то время как возбуждение распространяется на очередной перехват, многие предыдущие перехваты по-прежнему пребывают в активированном состоянии. Миелинизированные аксоны не только проводят возбуждение быстрее немиелинизированных, но и способны проводить импульсы более высокой частоты в течение более долгого времени. Эти преимущества следует отнести на счет еще одного последствия миелинизации, а именно того, что в процессе проведения импульса меньшее количество натрия и калия проникает через мембрану, поскольку регенеративные процессы протекают в основном в перехватах Ранвье. Следовательно, меньше метаболической энергии затрачивается на поддержание внутриклеточных ионных концентраций.
Сальтаторное проведение впервые продемонстрировали в 1941 году Тасаки и, позднее, Хаксли и Штемпфли, которые регистрировали ток в перехватах и межперехватных участках. Подобный эксперимент на изолированном миелинизированном аксоне. Нерв помешен в три ванночки с растворами солей, средняя из которых была более узкой и отделялась от остальных воздушными прослойками с высоким сопротивлением. Ванночки соединены между собой внешней электрической цепью, как показано на рисунке, благодаря чему ток не прерывается воздушными прослойками, но протекает из центральной ванночки через резистор (R). Падение напряжения на резисторе позволяет измерить величину и направление токов.
В первом опыте в центральной ванночке находился перехват Ранвье. В результате раздражения нерва ток сначала вытекает из перехвата наружу и обратно в сторону активного участка (восходящая часть кривой) по мере того, как перехват деполяризуется до порогового уровня. Затем следует входящий ток (нисходящая часть кривой), протекающий в ходе генерации потенциала действия. Если в средней ванночке располагался миелинизированный (межперехватный) участок аксона, то входящий ток отсутствовал, и регистрировали лишь небольшие отклонения за счет емкостного и резистивного токов из средней ванночки в направлении возбужденных участков. Подобные опыты подтвердили, что входящего тока, а следовательно и регенеративного процесса в межперехватных участках нет.
Изощренные методы регистрации сальтаторного проведения в нерассеченных аксонах млекопитающих были разработаны Бостоком и Сирсом. Эти методы позволяют измерять как входящие токи в перехватах, так и продольные токи в межперехватных участках, давая возможность точно определить положение перехватов Ранвье и расстояния между ними.
Диапазон возможных значений скорости проведения в миелинизированных волокнах широк: от нескольких метров в секунду до 100 м/с. Мировой рекорд принадлежит миелинизированным аксонам креветки, которые проводят возбуждение быстрее 200 м/с. В нервной системе позвоночных нервы разделяются на группы по скорости проведения или по функции. В соответствии с теоретическими расчетами, скорость проведения в волокне должна быть пропорциональна его диаметру. Бойд и коллеги показали, что у млекопитающих скорость проведения (в м/с) для толстых миелинизированных волокон приблизительно равняется их внешнему диаметру (в м), помноженному на 6. Для более тонких волокон коэффициент пропорциональности приблизительно равен 4,5 Интересным с точки зрения теории представляется такой параметр, как оптимальная толщина миелиновой оболочки, обеспечивающая максимальную скорость проведения при данном внешнем диаметре волокна. Очевидно, что чем толше миелиновая оболочка, тем больше возрастет сопротивление мембраны аксона. С другой стороны, с увеличением толщины миелиновой оболочки уменьшается площадь поперечного сечения аксоплазмы и, следовательно, возрастет ее внутреннее продольное сопротивление. Первый из этих факторов влечет за собой ускорение проведения, второй — его замедление. Показано, что оптимальное значение толщины миелиновой оболочки достигается, когда диаметр аксона составляет приблизительно 0,7 от общего диаметра волокна. Как уже отмечалось, наблюдаемые соотношения в периферических нервах млекопитающих варьируют от 0,6 до 0,8.
Теоретически рассчитанное оптимальное расстояние между перехватами также совпадает с реально существующим: оно превосходит диаметр аксона приблизительно в 100 раз. Большее расстояние между перехватами повышает скорость проведения. С другой стороны, ток, достигающий следующего перехвата Ранвье через более длинный межперехватный отрезок, будет ослаблен за счет противодействия продольного сопротивления. В результате деполяризация в перехвате будет развиваться медленнее, и скорость проведения снизится. Благодаря этим двум противоборствующим факторам небольшие вариации межперехватного расстояния вокруг оптимального значения почти не влияют на скорость проведения. При слишком большом межперехватном расстоянии, очевидно, деполяризация от предыдущего перехвата не достигнет порога, и проведение прекратится.