Как протича нервният импулс? Нервен импулс, неговата трансформация и механизъм на предаване. Периферна нервна система

НЕРВЕН ИМПУЛС(лат. nervus нерв; лат. impulsus удар, бутане) - вълна на възбуждане, разпространяваща се по нервното влакно; единица за разпространяващо се възбуждане.

Н. и. осигурява предаването на информация от рецепторите към нервните центрове и от тях към изпълнителните органи - скелетната мускулатура, гладката мускулатура на вътрешните органи и кръвоносните съдове, жлезите с вътрешна и външна секреция и др.

Трудната информация за раздразненията, действащи върху организма, е кодирана под формата на отделни групи и. - редове на Н.. Според закона "Всичко или нищо" (виж), амплитудата и продължителността на отделните N. и., преминаващи през едно и също влакно, са постоянни, а честотата и броят на N. и. в серия зависят от интензивността на стимулацията. Този метод за предаване на информация е най-устойчив на шум, тоест в широк диапазон, той не зависи от състоянието на проводимите влакна.

Разпределението на Н. и. идентифицирани с провеждането на потенциали на действие (вижте Биоелектрични потенциали). Появата на възбуждане може да бъде резултат от дразнене (вижте), например, въздействието на светлината върху зрителния рецептор, звука върху слуховия рецептор или процеси, протичащи в тъканите (спонтанна поява на N. и.). В тези случаи Н. и. осигуряват координираната работа на органите по време на всеки физиол, процес (например в процеса на дишане, Н. и предизвикват свиване на скелетните мускули и диафрагмата, което води до вдишване и издишване и др.).

В живите организми предаването на информация може да се осъществи и по хуморален начин, чрез освобождаване в кръвния поток на хормони, медиатори и пр. Предимството на информацията, предавана с помощта на N. и. кодирана по-точно от сигналите, изпращани от хуморалната система.

Фактът, че нервните стволове са пътят, по който въздействията се предават от мозъка към мускулите и обратно, е бил известен още в епохата на древността. През Средновековието и до средата на 17 век. смятало се, че определено вещество, подобно на течност или пламък, се разпространява по нервите. идея за електрическа природаН. и. възниква през 18 век. Първите изследвания на електрическите явления в живите тъкани, свързани с възникването и разпространението на възбуждане, са извършени от Л. Галвани. Г. Хелмхолц показа, че скоростта на разпространение на N. и., която преди се е смятала за близка до скоростта на светлината, има крайна стойност и може да бъде точно измерена. Херман (L. Hermann) въвежда във физиологията понятието потенциал за действие. Обяснението на механизма на възникване и провеждане на възбуждане става възможно след създаването от S. Arrhenius на теорията на електролитната дисоциация. В съответствие с тази теория Дж. Бернщайн предполага, че появата и поведението на Н. и. поради движението на йони между нервното влакно и заобикаляща среда. Английски изследователите А. Ходжкин, Б. Кац и Е. Хъксли изследват подробно трансмембранните йонни потоци, лежащи в основата на развитието на потенциала на действие. По-късно започват интензивно да се изучават механизмите на работата на йонните канали, чрез които се осъществява обмен на йони между аксона и околната среда, и механизмите, които осигуряват способността на нервните влакна да провеждат редовете на N. различен ритъм и продължителност.

Н. и. се разпространява поради локални токове, които възникват между възбудените и невъзбудените участъци на нервното влакно. Токът, оставящ влакното навън в зона за почивка, служи като дразнител. Рефрактерността, която идва след възбуждане в тази област на нервното влакно, причинява движение напред на N. и.

Количествено съотношението на различните фази на развитие на потенциала на действие може да се характеризира чрез сравняването им по амплитуда и продължителност във времето. Така, например, за миелинизирани нервни влакна от група А на бозайници, диаметърът на влакното е в диапазона от 1-22 микрона, скоростта на проводимост е 5-120 m / s, продължителността и амплитудата на високо- част на напрежението (пик или пик) е съответно 0,4-0, 5 ms и 100-120 mV, отрицателният потенциал на следата е 12-20 ms (3-5% от амплитудата на пика), положителният потенциал на следата е 40- 60 ms (0,2% от амплитудата на пика).

Възможностите за предаване на разнообразна информация се разширяват чрез увеличаване на скоростта на развитие на потенциала за действие, скоростта на разпространение, а също и чрез увеличаване на лабилността (виж) - тоест способността на възбудимата формация да възпроизвежда високи ритми на възбуждане за единица време.

Специфични особености на разпространението на Н. и. свързани със структурата на нервните влакна (вж.). Сърцевината на влакното (аксоплазмата) има ниско съпротивление и съответно добра проводимост, а плазмената мембрана, заобикаляща аксоплазмата, има високо съпротивление. особено големи електрическо съпротивлениевъншният слой от миелинизирани влакна, в който само прихващанията на Ранвие са свободни от дебелата миелинова обвивка. В немиелинизирани влакна на N. и. се движи непрекъснато, а в миелина - спазматично (солтаторна проводимост).

Правете разлика между декрементно и недекрементно разпространение на вълна на възбуждане. Декрементна проводимост, т.е. провеждане на възбуждане с екстинкция, се наблюдава в немиелинизирани влакна. В такива влакна Н. извършва скорост и. е малък и с отдалечаването от мястото на дразнене дразнещият ефект на локалните течения постепенно намалява до пълно изчезване. Декрементарната проводимост е характерна за влакна, които инервират вътрешните органи с ниска функция, подвижност. Без декремент проводимостта е характерна за миелинизираните и тези немиелинизирани влакна, то-рие предават сигнали към органи с висока реактивност (напр. сърдечен мускул). При бездекрементно извършване на Н. и. минава целия път от мястото на дразнене до мястото на реализация на информацията без затихване.

Максималната скорост на проводимост и. на Н., регистрирана в бързопроводящите нервни влакна на бозайниците, е 120 m/s. Високи скорости на импулсна проводимост могат да бъдат постигнати чрез увеличаване на диаметъра на нервното влакно (за немиелинизирани влакна) или чрез увеличаване на степента на миелинизация. Разпространението на единичния Н. и. само по себе си не изисква преки енергийни разходи, тъй като при определено ниво на поляризация на мембраната всеки участък от нервното влакно е в състояние на готовност за провеждане и дразнещият стимул играе ролята на „спусък“. Въпреки това, възстановяването на първоначалното състояние на нервното влакно и поддържането му в готовност за новия N. и. свързани с разхода на биохимична енергия, реакциите, протичащи в нервните влакна. Възстановителните процеси придобиват голямо значениепри поредицата на Н. и. При провеждане на ритмично възбуждане (серия от импулси) в нервните влакна, производството на топлина и консумацията на кислород се удвояват, изразходват се макроергични фосфати и се повишава активността на Na, K-АТФаза, която се идентифицира с натриевата помпа. Промяна на интензивността на хода на различни физ.-хим. и биохимичните, процесите зависят от естеството на ритмичното възбуждане (продължителността на поредицата от импулси и честотата на тяхното повторение) и физиол, състоянието на нерва. При провеждане Голям бройН. и. при висок ритъм в нервните влакна може да се натрупва "метаболитен дълг" (това се отразява в увеличаване на общите следови потенциали) и тогава възстановителните процеси се забавят. Но дори и при тези условия, способността на нервните влакна да провеждат N. и. остава непроменен за дълго време.

Прехвърлянето на Н. и. от нервно влакно към мускул или друг ефектор се осъществява чрез синапси (виж). При гръбначните животни в по-голямата част от случаите прехвърлянето на възбуждане към ефектора става чрез освобождаване на ацетилхолин (невромускулни синапси на скелетните мускули, синаптични връзки в сърцето и др.). Такива синапси се характеризират със строго едностранно импулсно провеждане и наличието на забавяне във времето при предаването на възбуждане.

В синапсите, в чиято синаптична цепнатина има малко съпротивление на електрически ток поради голямата площ на контактните повърхности, се осъществява електрическо предаване на възбуждане. Те нямат забавяне на синаптичната проводимост и е възможно двустранно провеждане. Такива синапси са характерни за безгръбначните.

Регистрация N. и. намери широко приложение в биол, изследвания и клин, практика. За регистрация се използват контурни и по-често катодни осцилоскопи (вижте Осцилография). С помощта на микроелектродно оборудване (вж. Микроелектроден метод на изследване) регистрирайте N. и. в единични възбудими образувания - неврони и аксони. Възможности за изследване на механизма на възникване и разпространение на N. и. значително се разшири след разработването на метода за фиксиране на потенциала. Този метод е използван за получаване на основни данни за йонните токове (виж Биоелектрични потенциали).

Нарушение на извършване на Н. и. възниква, когато нервните стволове са повредени, например при механични наранявания, компресия в резултат на растеж на тумора или по време на възпалителни процеси. Такива нарушения на провеждането на Н. и. често са необратими. Последица от спирането на инервацията може да бъде тежки функционални и трофични нарушения (напр. атрофия на скелетната мускулатура на крайниците след прекратяване на приема на Н. и поради необратимо увреждане на нервния ствол). Обратимо прекратяване на провеждане на Н. и. може да се нарече специално за терапевтични цели. Например, с помощта на анестетици те блокират импулса, идващ от рецепторите за болка в c. н. С. Обратимо прекратяване на провеждане на Н. и. причинява новокаинова блокада. Временно прекратяване на прехвърлянето на Н. и. по протежение на нервните проводници се наблюдава и по време на обща анестезия.

Библиография:Бреже М. А. Електрическа активност на нервната система, транс. от английски, М., 1979; Жуков Е. К. Есета по нервно-мускулна физиология, JI., 1969; До около N от N от e of l и K. Възстановителни процеси и метаболизъм в нерва, в кн.: Совр, пробл. биофизика, прев. от английски, изд. G. M. Frank и A. G. Pa-synsky, том 2, стр. 211, М., 1961;

Костюк П. Г. Физиология на централната нервна система, Киев, 1977 г.; Латманизова JI. Б. Очерк по физиологията на възбудата, М., 1972; Обща физиология на нервната система, изд. П. Г. Костюк, JI., 1979; Т и с и до и I. Нервно вълнение, платното с английски. от английски, М., 1971; Ходжкин А. нервен импулс, per. от английски, М., 1965; Ходоров Б. И. Обща физиология на възбудимите мембрани, М., 1975.

Невроните комуникират помежду си с помощта на "невронни съобщения". Тези "съобщения" са като електрически ток, преминаващ през проводници. Понякога, когато се предават от един неврон на друг, тези импулси се превръщат в химически съобщения.

нервни импулси

Информацията се предава между невроните като електрически ток в проводници. Тези съобщения са кодирани: те са последователност от абсолютно същите импулси. Самият код се крие в тяхната честота, тоест в броя импулси в секунда. Импулсите се предават от клетка на клетка, от дендрита, в който произхождат, до аксона, през който преминават. Но има и разлика от електрически мрежи- импулсите се предават не с помощта на електрони*, а с помощта на по-сложни частици - йони.

Лекарства, които влияят на скоростта на импулсите

Има много химикали, които могат да променят характеристиките на предаването на нервните импулси. Като правило те действат на синаптично ниво. Анестетиците и транквилантите забавят, а понякога дори потискат предаването на импулси. А антидепресантите и стимулантите като кофеина, напротив, допринасят за по-доброто им предаване.

С голяма скорост

Нервните импулси трябва да преминават бързо през тялото. Заобикалящите ги глиални клетки помагат да се ускори преминаването им към невроните. Те образуват обвивката на нервното влакно, наречена миелин. В резултат на това импулсите преминават със спираща дъха скорост - повече от 400 км/ч.

химически връзки

Съобщенията, предавани от неврон на неврон, трябва да се преобразуват от електрическа в химическа форма. Това се дължи на факта, че въпреки големия си брой невроните никога не се докосват един друг. Но електрическите импулси не могат да се предават, освен ако няма физически контакт. Следователно невроните използват специална система, наречена синапси, за да комуникират помежду си. На тези места невроните са разделени от тясно пространство на синаптичната цепнатина. Когато електрически импулс пристигне до първия неврон, той се освобождава от синапса химически молекулитака наречените невротрансмитери. Тези вещества, произведени от неврони, се движат през синаптичната цепнатина и влизат в рецепторите на друг неврон, специално предназначен за тях. Резултатът е друг електрически импулс.

Импулсът преминава между невроните за по-малко от хилядна от секундата.

Разграничаване на невротрансмитери

Мозъкът произвежда около петдесет невротрансмитера, които могат да бъдат разделени на две групи. Първият се състои от тези, които инициират възникването на нервен импулс - те се наричат ​​възбуждащи. Други, напротив, забавят появата му - това са инхибиторни невротрансмитери. Трябва да се отбележи, че в повечето случаи невронът освобождава само един вид невротрансмитери. И в зависимост от това дали е възбуждащ или инхибиращ, невронът има различен ефект върху съседните нервни клетки.

изкуствена стимулация

Отделен неврон или група неврони могат да бъдат стимулирани изкуствено с помощта на вкарани в тях електроди, които насочват електрическите импулси към точно маркираните области на мозъка. Този метод понякога се използва в медицината, по-специално за лечение на пациенти, страдащи от болестта на Паркинсон.Това заболяване, което се проявява в напреднала възраст, е придружено от треперене на крайниците. Това треперене може да бъде спряно чрез постоянно стимулиране на определена област на мозъка.

Neuron - микрокомпютър

Всеки от невроните е способен да получава стотици съобщения в секунда. И за да не се натоварва с информация, той трябва да може да прецени степента на нейната значимост и да й направи предварителен анализ. Тази изчислителна дейност се извършва вътре в клетката. Възбуждащите импулси се добавят, а инхибиторните се изваждат. И, за да може невронът да генерира свой собствен импулс, е необходимо сумата от предишните да бъде по-голяма от определена стойност. Ако добавянето на възбуждащи и инхибиторни импулси не надвишава тази граница, невронът ще бъде "мълчалив".

информационни пътища

Във всички тези тънкости на невроните има красиво маркирани пътеки. Подобни идеи, подобни спомени преминават, като винаги задействат едни и същи неврони и синапси. Все още не е известно как се създават и поддържат тези верижни електронни комуникационни схеми, но е очевидно, че съществуват и че колкото по-силни са, толкова по-ефективни са. Често използваните синапси работят по-бързо. Това обяснява защо бързо си спомняме неща, които сме виждали или повтаряли няколко пъти. Тези връзки обаче не траят вечно. Някои от тях може да изчезнат, ако не се използват достатъчно, а на тяхно място ще се появят нови. Ако е необходимо, невроните винаги могат да създават нови връзки.

Малките зелени точки на снимката са хормони вътре в кръвоносните съдове.

Химичен допинг

Когато казват, че спортист е използвал хормонален допинг, това означава, че е приемал хормони или под формата на таблетки, или като ги е инжектирал директно в кръвта. Хормоните са естествени или изкуствени. Най-често срещаните са хормоните на растежа и стероидите, поради които мускулите стават по-големи и по-силни, както и еритропоетинът, хормон, който ускорява раждането хранителни веществакъм мускулите.

Мозъкът е способен да извършва милиони операции за част от секундата.

Хормоните работят върху мозъка

За обмен на информация от мозъка се използва и друг инструмент - хормони. Тези химични съединениячастично произведени от самия мозък в група неврони, разположени в хипоталамуса. Тези хормони контролират производството на други, произвеждани на други места в тялото в ендокринните жлези. Те действат различно от невротрансмитерите, които се фиксират директно върху невроните и се транспортират в кръвта до отдалечени органи на тялото от мозъка, като гърди, яйчници, мъжки тестиси и бъбреци. Фиксирайки се върху своите рецептори, хормоните предизвикват различни физиологични реакции. Те, например, насърчават растежа на костите и мускулите, контролират чувството на глад и жажда и, разбира се, влияят на сексуалната активност.

Мотоневрон.

Съкратителната активност на мускула се контролира от голям брой моторни неврони- нервни клетки, чиито тела лежат в гръбначния мозък и дълги клони - аксоникато част от двигателния нерв те се приближават до мускула. Влизайки в мускула, аксонът се разклонява на множество разклонения, всеки от които е свързан с отделно влакно, подобно на електрически проводници, прикрепени към къщи.Така един моторен неврон управлява цяла група влакна (т.нар. невромоторна единица), който работи като цяло.

Мускулът се състои от много невромоторни единици и е в състояние да работи не с цялата си маса, а на части, което ви позволява да регулирате силата и скоростта на свиване.

Нека разгледаме по-подробна структура на невронната клетка.

Структурната и функционална единица на нервната система е нервната клетка. неврон.

Неврони- специализирани клетки, способни да приемат, обработват, предават и съхраняват информация, да организират отговор на стимули, да установяват контакти с други неврони, клетки на органи.

Невронът се състои от тяло с диаметър от 3 до 130 микрона, съдържащо ядро ​​(с голям брой ядрени пори) и органели (включително силно развит груб ендоплазмен ретикулум с активни рибозоми, апаратът на Голджи), както и процеси . Има два вида издънки: дендрити и аксони.Невронът има развит и сложен цитоскелет, който прониква в неговите процеси. Цитоскелетът поддържа формата на клетката, нейните нишки служат като "релси" за транспортиране на органели и вещества, опаковани в мембранни везикули (например невротрансмитери).

Дендрити- разклонени къси процеси, които възприемат сигнали от други неврони, рецепторни клетки или директно от външни стимули. Дендритът провежда нервни импулси към тялото на неврона.

аксони- дълъг процес за провеждане на възбуждане от тялото на неврон.

Уникалните способности на неврона са:

- способност за генериране на електрически заряди
- предава информация, използвайки специализирани окончания -синапси.

Нервен импулс.

И така, как става предаването на нервен импулс?
Ако стимулацията на неврон надвиши определена прагова стойност, тогава в точката на стимулация настъпват поредица от химични и електрически промени, които се разпространяват в целия неврон. Предадените електрически промени се наричат нервен импулс.

За разлика от обикновения електрически разряд, който поради съпротивлението на неврона постепенно ще отслабва и ще може да преодолее само кратко разстояние, много по-бавният „тичащ“ нервен импулс непрекъснато се възстановява (регенерира) в процеса на разпространение.
Концентрациите на йони (електрически заредени атоми) - главно натрий и калий, както и органична материя- извън неврона и вътре в него не са еднакви, следователно нервната клетка в покой е отрицателно заредена отвътре и положително отвън; в резултат на това на клетъчната мембрана възниква потенциална разлика (т.нар. "потенциал на покой" е приблизително -70 миливолта). Нарича се всяка промяна, която намалява отрицателния заряд вътре в клетката и по този начин потенциалната разлика през мембраната деполяризация.
Плазмената мембрана, обграждаща неврона, е сложно образувание, състоящо се от липиди (мазнини), протеини и въглехидрати. Той е практически непроницаем за йони. Но някои от протеиновите молекули в мембраната образуват канали, през които могат да преминат определени йони. Въпреки това, тези канали, наречени йонни канали, не винаги са отворени, но, подобно на портите, те могат да се отварят и затварят.
При стимулиране на неврон някои от натриевите (Na +) канали се отварят в точката на стимулация, поради което натриевите йони навлизат в клетката. Притокът на тези положително заредени йони намалява отрицателния заряд на вътрешната повърхност на мембраната в областта на канала, което води до деполяризация, която е придружена от рязка промяна на напрежението и разряд - т.нар. „потенциал за действие”, т.е. нервен импулс. След това натриевите канали се затварят.
В много неврони деполяризацията също причинява отваряне на калиеви (K+) канали, което води до изтичане на калиеви йони от клетката. Загубата на тези положително заредени йони отново увеличава отрицателния заряд на вътрешната повърхност на мембраната. След това калиевите канали се затварят. Започват да работят и други мембранни протеини – т.нар. калиево-натриеви помпи, които осигуряват движението на Na + от клетката и на К + в клетката, което, заедно с активността на калиеви канали, възстановява първоначалното електрохимично състояние (потенциал на покой) в точката на стимулация.
Електрохимичните промени в точката на стимулация причиняват деполяризация в съседната точка на мембраната, задействайки същия цикъл от промени в нея. Този процес се повтаря непрекъснато и във всяка нова точка, където настъпва деполяризация, се ражда импулс със същата величина като в предишната точка. Така, заедно с обновения електрохимичен цикъл, нервният импулс се разпространява по протежение на неврона от точка до точка.

Разбрахме как нервният импулс преминава през неврона, сега нека разберем как импулсът се предава от аксона към мускулното влакно.

синапс.

Аксонът е разположен в мускулното влакно в особени джобове, което се образува от издатините на аксона и цитоплазмата на клетъчното влакно.
Между тях се образува нервно-мускулен синапс.

нервно-мускулна връзка- нервно окончание между аксона на моторния неврон и мускулното влакно.

1. Аксон.
2. Клетъчната мембрана.
3. Синаптични везикули на аксона.
4. Рецепторен протеин.
5. митохондриите.

Синапсът се състои от три части:
1) пресинаптичен (донорски) елемент, съдържащ синаптични везикули (везикули) с медиатор
2) синаптична цепнатина (трансмисионна цепнатина)
3) постсинаптичен (възприемащ) елемент с рецепторни протеини, които осигуряват взаимодействието на медиатора с постсинаптичната мембрана и ензимни протеини, които разрушават или инактивират медиатора.

пресинаптичен елемент- елемент, който излъчва нервен импулс.
постсинаптичен елемент- елемент, който получава нервен импулс.
синаптична цепнатина- пролуката, в която се осъществява предаването на нервен импулс.

Когато нервен импулс под формата на потенциал за действие (трансмембранен ток, причинен от натриеви и калиеви йони) „дойде” в синапса, калциевите йони навлизат в пресинаптичния елемент.

Посредник– биологично активно вещество, секретирано от нервните окончания и предаващо нервен импулс в синапса. Невротрансмитер се използва за предаване на импулси към мускулно влакно. – ацетилхолин.

Калциевите йони осигуряват разкъсване на мехурчетата и освобождаване на медиатора в синаптичната цепнатина. След преминаване през синаптичната цепнатина, невротрансмитерът се свързва с рецепторните протеини на постсинаптичната мембрана. В резултат на това взаимодействие възниква нов нервен импулс върху постсинаптичната мембрана, който се предава на други клетки. След взаимодействие с рецепторите, медиаторът се разрушава и отстранява от ензимни протеини. Информацията се предава на други нервни клетки в кодирана форма (честотни характеристики на потенциалите, възникващи на постсинаптичната мембрана; опростен аналог на такъв код е баркодът върху продуктовите опаковки). "Дешифрирането" става в съответните нервни центрове.
Медиаторът, който не се е свързал с рецептора, или се разрушава от специални ензими, или се улавя обратно във везикулите на пресинаптичния край.

Едно завладяващо видео за това как преминава нервен импулс:

Още по-красиво видео

синапс

Как се провежда нервният импулс (слайд шоу)

8317 0

Неврони

При висшите животни нервните клетки образуват органите на централната нервна система (ЦНС) - главата и гръбначен мозък- и периферната нервна система (ПНС), която включва нервите и техните процеси, които свързват централната нервна система с мускули, жлези и рецептори.

структура

Нервните клетки не се възпроизвеждат чрез митоза (клетъчно делене). Невроните се наричат ​​амитотични клетки - ако бъдат унищожени, те няма да бъдат възстановени. Ганглиите са снопчета от нервни клетки извън ЦНС. Всички неврони са изградени от следните елементи.

клетъчно тяло. Това са ядрото и цитоплазмата.

Аксон.Това е дълъг, тънък процес, който предава информация от тялото на клетката към други клетки чрез връзки, наречени синапси. Някои аксони са дълги по-малко от сантиметър, докато други са с дължина над 90 см. Повечето аксони са в защитна субстанция, наречена миелинова обвивка, която спомага за ускоряване на предаването на нервните импулси. Стесненията на аксона след определен интервал се наричат ​​възли на Ранвие.

Дендрити.Това е мрежа от къси влакна, които се простират от аксона или клетъчното тяло и свързват краищата на аксоните от други неврони. Дендритите получават информация за клетката, като приемат и провеждат сигнали. Всеки неврон може да има стотици дендрити.

Структура на неврон

Функции

Невроните контактуват помежду си по електрохимичен начин, предавайки импулси по цялото тяло.

миелинова обвивка

. Швановите клетки се навиват около един или повече аксони (а)за образуване на миелинова обвивка.
. Състои се от няколко слоя (може би 50-100) плазмени мембрани. (б), между които циркулира течният цитозол (цитоплазма, лишена от хипохондрия и други елементи на ендоплазмения ретикулум), с изключение на най-горния слой (v).
. Миелиновата обвивка около дългия аксон е разделена на сегменти, всеки от които е образуван от отделна клетка на Шван.
. Съседните сегменти са разделени от стеснения, наречени възли на Ранвие (G)където аксонът няма миелинова обвивка.

нервни импулси

При висшите животни сигналите се изпращат в цялото тяло и от мозъка под формата на електрически импулси, предавани през нервите. Нервите създават импулси, когато има физическа, химична или електрическа промяна в клетъчната мембрана.

1 неврон в покой

Покойният неврон има отрицателен заряд вътре в клетъчната мембрана (а) и положителен заряд извън тази мембрана (б). Това явление се нарича остатъчен потенциал на мембраната.

То се подкрепя от два фактора:

Различна пропускливост на клетъчната мембрана за натриеви и калиеви йони, които имат еднакъв положителен заряд. Натрият дифундира (преминава) в клетката по-бавно, отколкото калият я напуска.

Натриево-калиев обмен, при който повече положителни йони напускат клетката, отколкото влизат в нея. В резултат на това извън клетъчната мембрана се натрупват повече положителни йони, отколкото вътре в нея.

2 Стимулиран неврон

Когато се стимулира неврон, пропускливостта на част (c) от клетъчната мембрана се променя. Положителните натриеви йони (g) започват да навлизат в клетката по-бързо, отколкото в положение на покой, което води до увеличаване на положителния потенциал вътре в клетката. Това явление се нарича деполяризация.

3 Нервен импулс

Деполяризацията постепенно се разпространява в цялата клетъчна мембрана (e). Постепенно зарядите отстрани на клетъчната мембрана се променят (не за известно време). Това явление се нарича обратна поляризация. Това всъщност е нервен импулс, предаван по протежение на клетъчната мембрана на нервната клетка.

4 Реполяризация

Пропускливостта на клетъчната мембрана се променя отново. Положителните натриеви йони (Na+) започват да напускат клетката (e). Накрая извън клетката отново се образува положителен заряд, а вътре в нея – положителен. Този процес се нарича реполяризация.

Кандидат на биологичните науки Л. Чайлахян, изследовател, Институт по биофизика, Академия на науките на СССР

Читателка на списанието Л. Горбунова (с. Цибино, Московска област) ни пише: „Интересува ме механизмът на предаване на сигнала през нервните клетки“.

Лауреати Нобелова награда 1963 (отляво надясно): А. Ходжкин, Е. Хъксли, Д. Екълс.

Претърпели са идеите на учените за механизма на предаване на нервния импулс Напоследъкзначителна промяна. Доскоро възгледите на Бернщайн доминираха в науката.

Човешкият мозък, без съмнение, най-високо постижениеприродата. Един килограм нервна тъкан съдържа квинтесенцията на целия човек, като се започне от регулирането на жизнените функции – работата на сърцето, белите дробове, храносмилателния тракт, черния дроб – и се стигне до неговия духовен свят. Тук са нашите мисловни способности, целият ни мироглед, памет, ум, нашето самосъзнание, нашето „аз“. Да знаеш как работи мозъкът означава да познаваш себе си.

Целта е страхотна и примамлива, но обектът на изследване е невероятно сложен. Шега е да се каже, че този килограм тъкан представлява сложна системавръзки на десетки милиарди нервни клетки.

Първата значителна стъпка към разбирането на работата на мозъка обаче вече е направена. Може да е един от най-лесните, но е изключително важен за всичко, което следва.

Имам предвид изследването на механизма на предаване на нервните импулси - сигнали, минаващи през нервите, сякаш през жици. Именно тези сигнали са азбуката на мозъка, с помощта на която сетивните органи изпращат до централната нервна система информация-изпращания за събития във външния свят. С нервните импулси мозъкът криптира своите заповеди към мускулите и различни вътрешни органи. И накрая, отделните нервни клетки и нервните центрове говорят езика на тези сигнали.

Нервните клетки - основният елемент на мозъка - са разнообразни по размер и форма, но по принцип имат единна структура. Всяка нервна клетка се състои от три части: тяло, дълго нервно влакно - аксон (дължината му при човека е от няколко милиметра до метър) и няколко къси разклонени израстъци - дендрити. Нервните клетки са изолирани една от друга чрез мембрани. Клетките обаче взаимодействат помежду си. Това се случва на кръстопътя на клетките; тази връзка се нарича синапс. В синапса се срещат аксонът на една нервна клетка и тялото или дендритът на друга клетка. Освен това е интересно, че възбуждането може да се предава само в една посока: от аксона към тялото или дендрита, но в никакъв случай обратно. Синапсът е като кенотрон: предава сигнали само в една посока.

В проблема за изучаване на механизма на нервния импулс и неговото разпространение могат да се разграничат два основни въпроса: естеството на провеждането на нервен импулс или възбуждане в рамките на една клетка - по протежение на влакното и механизмът на предаване на нервния импулс от клетка на клетка – чрез синапси.

Какво е естеството на сигналите, предавани от клетка на клетка по нервните влакна?

Хората се интересуват от този проблем от дълго време, Декарт предположи, че разпространението на сигнал е свързано с преливане на течност през нервите, както през тръби. Нютон смяташе, че това е чисто механичен процес. Кога се появи електромагнитна теория, учените решиха, че нервният импулс е подобен на движението на тока през проводник със скорост, близка до скоростта на разпространение на електромагнитни трептения. И накрая, с развитието на биохимията, се появи гледната точка, че движението на нервния импулс е разпространението по нервното влакно на специална биохимична реакция.

И все пак нито една от тези идеи не се сбъдна.

Понастоящем е разкрита природата на нервния импулс: това е изненадващо фин електрохимичен процес, който се основава на движението на йони през клетъчната мембрана.

Голям принос за разкриването на това естество има работата на трима учени: Алън Ходжкин, професор по биофизика в университета в Кеймбридж; Андрю Хъксли, професор по физиология в Лондонския университет, и Джон Екълс, професор по физиология в Австралийския университет в Канбера. Те са удостоени с Нобелова награда за медицина през 1963 г.

Известният немски физиолог Бернщайн е първият, който предполага електрохимичната природа на нервния импулс в началото на нашия век.

До началото на ХХ век се знаеше доста нервна възбуда. Учените вече знаеха, че нервното влакно може да бъде възбудено от електрически ток, а възбуждането винаги се случва под катода - под минус. Известно е, че възбудената област на нерва е отрицателно заредена по отношение на невъзбудената област. Установено е, че нервният импулс във всяка точка продължава само 0,001-0,002 секунди, че величината на възбуждането не зависи от силата на дразненето, както силата на звънеца в нашия апартамент не зависи от това колко сме упорити. Натисни бутона. И накрая, учените са открили, че носителите електрически токв живите тъкани са йони; освен това вътре в клетката основният електролит са калиеви соли, а в тъканната течност - натриеви соли. Вътре в повечето клетки концентрацията на калиеви йони е 30-50 пъти по-висока, отколкото в кръвта и в интерстициалната течност, заобикаляща клетките.

И въз основа на всички тези данни Бернщайн предположи, че обвивката на нервните и мускулните клетки е специална полупропусклива мембрана. Той е пропусклив само за К + йони; за всички други йони, включително отрицателно заредените аниони вътре в клетката, пътят е затворен. Ясно е, че според законите на дифузията калият ще има тенденция да напусне клетката, в клетката се появява излишък от аниони и ще се появи потенциална разлика от двете страни на мембраната: отвън - плюс (излишък от катиони) , вътре - минус (излишък от аниони). Тази потенциална разлика се нарича потенциал на покой. Така, в покой, в невъзбудено състояние, вътрешната част на клетката винаги е отрицателно заредена в сравнение с външния разтвор.

Бернщайн предполага, че в момента на възбуждане на нервното влакно настъпват структурни промени в повърхностната мембрана, порите й сякаш се увеличават и тя става пропусклива за всички йони. В този случай, разбира се, потенциалната разлика изчезва. Това е, което задейства нервния сигнал.

Мембранната теория на Бернщайн бързо спечели признание и съществува повече от 40 години, точно до средата на нашия век.

Но още в края на 30-те години теорията на Бернщайн среща непреодолими противоречия. Той беше силно засегнат през 1939 г. от фините експерименти на Ходжкин и Хъксли. Тези учени са първите, които измерват абсолютните стойности на мембранния потенциал на нервното влакно в покой и по време на възбуждане. Оказа се, че при възбуждане потенциалът на мембраната не само намалява до нула, но преминава през нула с няколко десетки миливолта. Тоест вътрешната част на влакното от негатив стана положителна.

Но не е достатъчно да се събори една теория, необходимо е да се замени с друга: науката не търпи вакуум. И Ходжкин, Хъксли, Кац през 1949-1953 г. предлагат нова теория. Получава името натрий.

Тук читателят има право да бъде изненадан: досега не се говори за натрий. Това е целият смисъл. Учените са установили с помощта на белязани атоми, че не само калиеви йони и аниони, но и натриеви и хлорни йони участват в предаването на нервен импулс.

Тялото има достатъчно натриеви и хлорни йони, всеки знае, че кръвта има солен вкус. Освен това в междуклетъчната течност има 5-10 пъти повече натрий, отколкото в нервните влакна.

Какво може да означава това? Учените предполагат, че при възбуждане в първия момент пропускливостта на мембраната само за натрий се увеличава рязко. Пропускливостта става десет пъти по-голяма, отколкото за калиеви йони. И тъй като има 5-10 разфасовки повече натрий отвън, отколкото вътре, той ще има тенденция да навлезе в нервните влакна. И тогава вътрешността на влакното ще стане положителна.

И след известно време - след възбуждане - балансът се възстановява: мембраната започва да пропуска и калиеви йони. И излизат навън. По този начин те компенсират положителния заряд, който е въведен във влакното от натриеви йони.

Не беше никак лесно да се стигне до подобни идеи. И ето защо: диаметърът на натриевия йон в разтвора е един и половина пъти по-голям от диаметъра на калиеви и хлорни йони. И е напълно неразбираемо как по-голям йон може да премине там, където не може да мине по-малък.

Беше необходимо решително да се промени възгледът за механизма на преминаване на йони през мембраните. Ясно е, че тук само дискусиите за порите в мембраната не са достатъчни. И тогава беше изложена идеята, че йоните могат да преминават през мембраната по съвсем различен начин, с помощта на засега тайни съюзници – специални органични молекули носители, скрити в самата мембрана. С помощта на такава молекула йоните могат да преминат през мембраната навсякъде, не само през порите. Освен това тези таксиметрови молекули отличават добре пътниците си, не бъркат натриеви йони с калиеви йони.

Тогава общата картина на разпространението на нервния импулс ще изглежда така. В покой отрицателно заредените молекули носители се притискат към външната граница на мембраната от мембранния потенциал. Следователно пропускливостта за натрия е много малка: 10-20 пъти по-малка, отколкото за калиеви йони. Калият може да премине през мембраната през порите. Когато вълната на възбуждане се приближи, налягането намалява електрическо полевърху молекули носители; те хвърлят своите електростатични „окови“ и започват да пренасят натриеви йони в клетката. Това допълнително намалява мембранния потенциал. Има един вид верижен процес на презареждане на мембраната. И този процес непрекъснато се разпространява по нервното влакно.

Интересното е, че нервните влакна изразходват за основната си работа - провеждането на нервните импулси - само около 15 минути на ден. Влакната обаче са готови за това всяка секунда: всички елементи на нервното влакно работят без прекъсване - 24 часа в денонощието. Нервните влакна в този смисъл са като самолети-прехващачи, чиито двигатели работят постоянно за моментално излитане, но действителният полет може да се осъществи само веднъж на няколко месеца.

Сега се запознахме с първата половина на мистериозния акт на преминаване на нервен импулс - по едно влакно. И как се предава възбуждането от клетка на клетка, през ставите – синапси. Този въпрос беше изследван в брилянтните експерименти на третия Нобелов лауреат, Джон Екълс.

Възбуждането не може да премине директно от нервните окончания на една клетка към тялото или дендритите на друга клетка. Почти целият ток преминава през синаптичната цепнатина във външната течност, а незначителна част от него, неспособна да предизвика възбуждане, навлиза в съседната клетка през синапса. Така в областта на синапсите се нарушава електрическата непрекъснатост в разпространението на нервния импулс. Тук, на кръстопътя на две клетки, влиза в действие съвсем различен механизъм.

Когато възбуждането се приближи до края на клетката, до мястото на синапса, физиологично се освобождава в междуклетъчната течност активни веществапосредници или посредници. Те се превръщат в връзка в преноса на информация от клетка към клетка. Медиаторът химически взаимодейства с втората нервна клетка, променя йонната пропускливост на нейната мембрана - сякаш пробива дупка, в която се втурват много йони, включително натриеви йони.

И така, благодарение на работата на Ходжкин, Хъксли и Екълс, най-важните състояния на нервната клетка - възбуждане и инхибиране - могат да бъдат описани от гледна точка на йонните процеси, от гледна точка на структурни и химични пренареждания на повърхностните мембрани. Въз основа на тези произведения вече е възможно да се правят предположения за възможните механизми на краткосрочната и дългосрочната памет, за пластичните свойства на нервната тъкан. Това обаче е разговор за механизми в една или повече клетки. Това е просто азбуката на мозъка. Очевидно следващият етап, може би много по-труден, е откриването на законите, по които се изгражда координиращата дейност на хиляди нервни клетки, разпознаването на езика, говорен от нервните центрове.

Сега сме на нивото на дете в разбирането на работата на мозъка, което е научило буквите от азбуката, но не знае как да ги свърже в думи. Не е далеч обаче времето, когато учените с помощта на код - елементарни биохимични действия, протичащи в нервна клетка, ще прочете увлекателен диалог между нервните центрове на мозъка.

Подробно описание на илюстрациите

Идеите на учените за механизма на предаване на нервния импулс напоследък претърпяха значителна промяна. Доскоро възгледите на Бернщайн доминираха в науката. Според него в покой (1) нервното влакно е положително заредено отвън и отрицателно отвътре. Това се обяснява с факта, че само положително заредени калиеви йони (K +) могат да преминат през порите на стената на влакната; големи отрицателно заредени аниони (A -) са принудени да останат вътре и да създават излишък от отрицателни заряди. Възбуждането (3) според Бернщайн се свежда до изчезването на потенциалната разлика, което се причинява от факта, че размерът на порите се увеличава, анионите излизат и изравняват йонния баланс: броят на положителните йони става равен на броя на отрицателни такива. Работата на носителите на Нобелова награда от 1963 г. А. Ходжкин, Е. Хъксли и Д. Екълс промени предишните ни идеи. Доказано е, че положителните натриеви йони (Na +), отрицателни хлорни нони (Cl -) и отрицателно заредени молекули носители също участват в нервното възбуждане. Състоянието на покой (3) се формира по принцип по същия начин, както се смяташе преди: излишъкът от положителни йони е извън нервното влакно, излишъкът от отрицателни йони е вътре. Установено е обаче, че когато (4) се възбужда, не се получава изравняване на зарядите, а презареждане: отвън се образува излишък от отрицателни йони, а вътре се образува излишък от положителни йони. Това се обяснява с факта, че при възбуждане молекулите носители започват да транспортират положителни натриеви йони през стената. По този начин, нервният импулс (5) е презареждането на електрическия двоен слой, движещ се по влакното. А от клетка на клетка възбуждането се предава от един вид химичен „тавен“ (6) – ацетилхолинова молекула, която помага на йоните да пробият през стената на съседно нервно влакно.