Мой сайт

Часть 2. Источники электрических импульсов в головном мозге человека.

Источником электрических импульсов в головном мозге является нейрон. Нейрон в отличии от других клеток способен возбуждаться. Под возбуждением нейрона понимают генерацию нейроном потенциала действия. Основная роль в возбуждении нейронов принадлежит ионным каналам, при открытии которых ионы натрия устремляются в клетку. Благодаря постоянной работе насосных каналов концентрация натриевых ионов вне клетки примерно в 50 раз больше, чем в клетке, поэтому при открытии натриевых каналов ионы натрия устремляются в клетку, а ионы калия через открытые калиевые каналы начинают выходить из клетки. Для каждого типа ионов — натрия и калия — имеется свой собственный тип ионных каналов. Движение ионов по этим каналам происходит по концентрационным градиентам, т е из места высокой концентрации в место с более низкой концентрацией.

В покоящемся нейроне натриевые каналы мембраны закрыты и на мембране , регистрируется потенциал покоя порядка \-70мВ\. Если потенциал мембраны деполяризовать \уменьшить поляризацию мембраны\ примерно на 10 мВ, натриевый ионный канал откроется. Как только канал открывается, в цитоплазму нейрона устремляются из межклеточной среды ионы натрия , которых там примерно в 50 раз больше, чем в цитоплазме. Такое движение ионов является следствием простого физического закона: ионы движутся по концентрационному градиенту. Таким образом, в нейрон поступают ионы натрия, они заряжены положительно, Другими словами, через мембрану будет протекать входящий ток ионов натрия, который будет смещать потенциал мембраны в сторону деполяризации, т. е. уменьшать поляризацию мембраны. Чем больше ионов натрия войдет в цитоплазму нейрона, тем больше мембрана деполяризуется. Потенциал на мембране будет увеличивается, открывая все большее количество натриевых каналов. Но этот потенциал будет расти не бесконечно, а только до тех пор, пока не станет равным примерно +55мВ. Этот потенциал соответствует присутствующим в нейроне и вне его концентрациям ионов натрия, поэтому его называют натриевым равновесным потенциалом. Величина такого потенциала достигается в состоянии возбуждения мембраны и является потенциалом действия мембраны.

Таким образом, нейрон способен к возбуждению, которое состоит в том, что мембрана нейрона в состоянии покоя имеет потенциал порядка -70мВ \ отрицательность в цитоплазме \, а в состоянии возбуждения приобретает потенциал +55мВ. Абсолютная величина потенциала действия — около 125мВ \5 с. 33 — 37\.

Каждая клетка представляет собой отдельную функциональную единицу и отделена от последующей нервной клетки синаптической щелью через которые передаются нервные влияния на следующий нейрон или эфферентную клетку. Исследования подавляющего большинства синаптических связей показывают, что электрический ток, генерируемый предсинаптическими элементами практически не проникает в постсинаптические структуры, а замыкается через внеклеточную среду межклеточной щели. Если ничтожная ее часть и переходит через мембрану, то она совершенно недостаточна для того, чтобы возбудить эту структуру. В большинстве синапсов существует особый механизм, который может передавать активность через синаптическую щель в строго определенном направлении. Этот особый механизм заключается в выделении окончанием одной клетки специальных химических веществ которые оказывают специфическое действие на поверхность другой клетки, вызывая в ней появление нового импульса.

Идея о возможности химический передачи активности от одной клетки к другой была высказана впервые О. Леви в 1921 году. Леви показал, что при раздражении блуждающего нерва в сердце появляется особое химическое вещество, которое оказывает на сердечную мышцу такое содействие, как и естественный нервный импульс. Это ацетилхолин\18 с. 54 — 57\. Несколько позже было показано, что и в таких широко распространенных соединениях, как нервно — мышечные синапсы скелетной мускулатуры, механизм передачи активности также является химическим и основан на выделении ацетилхолина \18 с.57\.

На основании исследования было установлено, что аксон одной клетки распадается на большое число веточек, каждая из которых дает ряд синаптических окончаний. Кроме того к одной и той же клетке сходятся разветвления многих афферентных волокон. Следовательно, при раздражении любого чувствительного нерва всегда возбуждается большое количество предсинаптических терминалий, расположенных на одной и той же клетке, и та реакция, которую мы регистрируем из клетки, представляет собой, очевидно, сумму многих элементарных реакций. Поэтому возбуждение почти одновременно приходит к нейрону по всем концевым веточкам, и есть основание считать, что временное течение той синаптической реакции, которая создается одним окончанием, будет примерно таким же, как и временное течение суммарной реакции, создаваемое всеми окончаниями, и лишь амплитуда их будет разной.\18 с.61\.  Следовательно, будет наблюдаться пульсирующий характер реакций.

Многочисленные исследования показывают, что передача возбуждения во всех без исключения случаях связана с генераций в постсинаптической клетке возбуждающего постсинаптического потенциала \ВПСП\. Временное течение ВПСП может варьировать у разных нейронов: у одних клеток они несколько короче, у других — длиннее.

Возбуждающие постсинаптические потенциалы возникают в нейроне и в том случае, когда исследуемая клетка активизируется не через моносинаптический, а через какой — нибудь более сложный путь, включающий несколько последовательных синаптических соединений. Характер изменений электрической поляризации мембраны при этом будет представлять собой длительную волнообразную деполяризацию. Это происходит потому, что в сложном многонейронном пути возникает значительная временная дисперсия афферентных импульсов, которые задерживаются в каждом последующем синапсе. К регистрируемой клетке подходит не одновременный залп импульсов, а их каскад. Возникает синаптическая бомбардировка, которая длится некоторое время. Каждый из проходящих импульсов вызывает свой элементарный эффект, а все вместе они, суммируясь, длительную волнообразную деполяризацию. По своему же основному механизму синаптическое действие во всех случаях является одинаковым. Таким путем достигается появлением лишь ничтожной чести постсинаптической электрической реакции. Основная ее часть создается за счет электрических процессов, возникающих непосредственно в постсинаптической мембране. Причина появления этих процессов заключается в резком повышении ионной проводимости постсинаптической мембраны и соответственно резком падении ее сопротивления. Возникает такое состояние \ состояние в момент возбуждения \, когда открывается каналы, которые эффективно пропускают ионы. Это изменение аналогично состоянию, когда две стороны мембраны, имеющие на себе разность потенциалов, закорочены низкоомным сопротивлением. Возникший ток будет чисто постсиноптическим током. В результате его появления в околосинаптических областях мембрана будет деполяризоваться и при достаточной величине деполяризации возникает распространяющийся по мышечному волокну потенциал действия. Если каналы вновь закрыты, то возникшие изменения постепенно выравниваются: скорость восстановления поляризации будет обуславливаться электрическими свойствами неактивной постсинаптической мембраны, а именно, ее сопротивлением и емкостью.

Изменение ионной проницаемости мембраны обусловлено ацетилхолином выделяясь в окончаниях, ацетилхолин диффундирует через синаптическую щель и взаимодействует с какими — то структурами постсинаптической мембраны, ответственными за состояние ионопроводящих каналов. \18 с 61 — 64\. Это медиаторы — проводники — химические вещества, молекулы которых способны реагировать с рецепторами клеточной мембраны и изменять ее проницаемость для определенных ионов вызывая возникновение \ генерацию \ потенциала действия — активного электрического сигнала.

Выделяясь под влиянием нервных импульсов, медиаторы участвуют в их передаче с нервного окончания на рабочий орган и с одной клетки на другую. В ЦНС эту роль осуществляют ацетилхолин, норадреналин, дофамин, серотонин, аминомасляная и глютаминовая кислоты. Медиаторы сами по себе не обладают возбуждающим и тормозящим действием \19\.

Предполагается, что на постсинаптической поверхности имеются особые рецепторы, с которыми связывается молекула ацетилхолина. Эти рецепторы расположены только на поверхности мембраны, так как если при помощи микроэлектрода ввести ацетилхолин внутрь клетки, то никаких изменений проницаемости мембраны не произойдет. Через некоторое время медиатор уходит из синаптической щели или его действие прекращается особым ферментом — холинэстеразой. Возбуждающими синаптическими медиаторами могут быть также моноамины, норадреналин, 5 — гидрокситритамин \. \ 18 с. 61 — 64 \.

Медиаторы — биологически активные вещества, секретируемые нервными окончаниями и обуславливающие появление нервных импульсов в синапсах. Насчитывается более 30 видов медиаторов. Однако только семь из них \ ацетилхолин, норадреналин, дофамин, сератанин, гамма — аминомасляную кислоту, глицин и глютаминовую кислоту \ принято относить к «классическим медиаторам».

Проводящая функция спинного мозга.

Спинной мозг проводит нервные импульсы в восходящем направлении к головному мозгу и в нисходящем — от головного мозга к спинальным сегментам. Значительную часть проводящих путей спинного мозга составляют аксоны так называемых проприоспинальных нейронов. Волокна этих нейронов создают связи между специальными сегментами и не выходят за приделы спинного мозга \20с.158\.

Восходящие \чувствительные/ пути образуются волокнами, являющимися отростками:

- афферентных нейронов, тела которых располагаются в спинальных сегментах;

• ассоциативных нейронов, тела которых находятся в задних рогах спинного мозга, а аксоны идут к структурам ствола мозга таламуса и мозжечка \20с 159\.

Ход волокон, передающих сигнализацию разной чувствительности неодинаков.

Проводящие волокна от рецепторов передают к головному мозгу сигнализацию о состоянии мышц, сухожилий, суставов. Эти волокна являются отростками нейронов спинальных ганглиев. Войдя через задние корешки в спинной мозг, они по той же стороне спинного мозга \не делая перекрестка/, в составе тонкого и клиновидного пучков восходят до нейронов продолговатого мозга. где передают импульсацию на второй эфферентный нейрон. Этот нейрон проводит импульсацию к ядрам таламуса. После переключения на нейронах таламуса импульсация доходит до коры головного мозга и обеспечивает возникновение ощущения степени напряжения мышц, положения конечностей и угла сгиба в суставах, пассивного движения, вибрации.

В составе тонкого пучка также проходит часть волокон от рецепторов кожи обеспечивающих чувствительность: проникновение, движение, вибрацию\20 с.159\.

Остальные спинальные чувствительные пути образованы отростками вторичных афферентных нейронов, тела которых находятся в задних рогах спинного мозга. Аксоны этих нейронов делают перекрест и по противоположной стороне спинного мозга идут к таламусу. В этом тракта расположены волокна, обеспечивающие болевую и температурную чувствительность. В боковых каналах находятся передний и задний спинномозговые тракты. Они передают импульсацию от рецепторов к мозжечку \20 с. 159\.

Нисходящие \двигательные \ проводящие пути, регулирующие произвольные движения, представлены двумя корково — спинальными трактами. Латеральный корково — спинальный путь в боковых каналах белого вещества мозга, а передний корково — спинальный путь — в передних каналах. Эти пути называются также пирамидными. Они проходят от пирамидных нейронов моторной зоны коры больших полушарий к передним рогам головного мозга и передают импульсацию \как прямо, так и через вставочные нейроны\ на мотонейроны. Эти импульсации регулируют произвольные движения человека \ 20с. 160\.

Явление электрического пробоя мембран

Явление электрического пробоя мембран изучали многие авторы на искусственных мембранах и отдельных клетках. Мембраны обладают определенным сопротивлением R электрическому току I, который при небольшой разности потенциалов U между двумя сторонами мембраны является постоянной величиной. Иными словами, для мембраны соблюдается закон Ома

I = U / R.

Это означает, что зависимость между напряжением на мембране U и током через мембрану I линейная. Однако такая зависимость сохраняется при сравнительно небольших величинах U, обычно не выше 200-300 мВ. При определенной критической разности потенциалов на мембране, называемой потенциалом пробоя (U *), происходит резкое возрастание тока. При постоянном мембранном потенциале, если он превышает критическое значение, ток самопроизвольно нарастает во времени до полного разрушения мембраны. Это явление называется электрическим пробоем мембраны.

В основе этого явления лежит самопроизвольное зарождение дефектов в липидном бислое вследствие теплового движения фосфолипидных молекул. При отсутствии разности потенциалов на мембране увеличения размеров спонтанно образовавшихся пор не происходит, так как этот процесс сопровождается ростом площади раздела фаз липид-вода и требует преодоления значительных сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Более того, под действием сил поверхностного натяжения спонтанно образовавшийся дефект (пора) сразу же затягивается и мембрана остается целой. При увеличении разности потенциалов на мембране энергия, необходимая для образования и роста поры, уменьшается. При критической разности потенциалов U * рост спонтанно образовавшихся пор становится самопроизвольным, ток через мембрану резко возрастает и, если разность потенциалов поддерживать, мембрана будет полностью разрушена.

Чрезвычайно важно для патологии клетки то обстоятельство, что электрическая прочность мембран, мерой которой служит потенциал пробоя, снижается под действием повреждающих факторов. Как уже говорилось, основными причинами нарушения барьерных свойств мембран в патологии являются перекисное окисление липидов, действие мембранных фосфолипаз, механическое растяжение мембран или адсорбция на них некоторых белков. Изучение влияния этих действующих факторов на электрическую прочность мембран показало, что все они снижают потенциал пробоя мембран.

Пробой мембран собственным мембранным потенциалом ("самопробой")

Электрический пробой мембраны может наблюдаться не только под действием напряжения, подаваемого на мембрану от внешнего источника, но и под действием собственного мембранного потенциала, то есть разности потенциалов, возникающей на мембране в результате диффузии ионов. Разумеется, этого не происходит в нормально функционирующих, неповрежденных клетках, потому что потенциалы пробоя мембран U * выше, чем разности потенциалов, существующие на клеточных и внутриклеточных мембранах (U * > U ). Так, потенциалы плазматических и митохондриальных мембран ниже потенциалов пробоя примерно на 20-30 мВ.

При повреждении мембранных структур происходит снижение потенциала пробоя U * и может сложиться ситуация U * > U, когда мембрана будет пробиваться собственным мембранным потенциалом. К чему это приводит в живой клетке? Предположим, клетку облучают ультрафиолетовыми лучами, под влиянием которых в липидных мембранах активируется перекисное окисление. В неповрежденных митохондриях потенциал на мембране равен 175 мВ, а потенциал пробоя составляет около 200 мВ . В процессе активации перекисного окисления липидов потенциал пробоя начинает постепенно снижаться, и, как только он достигает 175 мВ, мембрана митохондрий пробивается собственным мембранным потенциалом. То же происходит и при активации фосфолипаз: снижение потенциала пробоя до величины, равной потенциалу, который в нормальных условиях создается на мембране, приводит к электрическому пробою мембраны и потере ею барьерных свойств. В опытах с эритроцитами и митохондриями было показано, что и осмотическое растяжение мембраны, и добавление чужеродных белков могут снизить потенциал пробоя мембран настолько, что мембраны начинают пробиваться собственным мембранным потенциалом.

Почему "все дороги ведут к самопробою"

Стоит задуматься, почему такие, казалось бы разные, воздействия, как перекисное окисление липидов, ферментативный гидролиз фосфолипидных молекул, механическое растяжение мембраны или адсорбция полиэлектролитов, приводят к одному и тому же результату - снижению электрической прочности (то есть уменьшению величины потенциала пробоя) мембраны. Теория электрического пробоя дает четкий ответ на этот вопрос. Самопроизвольному росту пор, случайно зародившихся в липидном бислое, препятствуют силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз липидный слой мембраны - окружающий водный раствор. Нужно приложить довольно большую разность потенциала к мембране, чтобы преодолеть эти силы и вызвать рост поры. Теперь становится понятно, что вещества, снижающие поверхностное натяжение (детергенты), должны облегчать самопроизвольный рост пор и снижать величину критического потенциала, который нужно приложить к мембране, чтобы вызвать электрический пробой. Это и наблюдается в действительности. Продукты перекисного окисления липидов, так же как и продукты гидролиза фосфолипидов фосфолипазами (лизолецитины), и многие белки снижают поверхностное натяжение на границах раздела фаз. Именно поэтому они снижают потенциал пробоя мембран, то есть уменьшают их электрическую прочность. Механическое растяжение мембраны действует аналогично, так как противодействует силам поверхностного натяжения. Таким образом, электрический пробой мембран оказывается универсальным механизмом нарушения барьерной функции мембран в патологии.\21\