Živčni impulz in princip njegovega prenosa. Motorični nevron. Živčni impulz. Sinapsa Električni impulz v nevronih nastane zaradi

Akcijski potencial ali živčni impulz specifična reakcija, ki teče v obliki vznemirljivega vala in teče vzdolž celotne živčne poti. Ta reakcija je odgovor na dražljaj. Glavna naloga je prenos podatkov od receptorja do živčnega sistema, nato pa te informacije usmeri do želenih mišic, žlez in tkiv. Po prehodu impulza postane površinski del membrane negativno nabit, njen notranji del pa ostane pozitiven. Tako je živčni impulz zaporedno prenesena električna sprememba.

Vznemirljivi učinek in njegova porazdelitev sta podvržena fizikalno-kemični naravi. Energija za ta proces se ustvari neposredno v samem živcu. To se zgodi zaradi dejstva, da prehod impulza povzroči nastanek toplote. Ko mine, se začne atenuacija ali referenčno stanje. V katerem le delček sekunde živec ne more prevesti dražljaja. Hitrost, s katero se lahko oddaja impulz, je od 3 m/s do 120 m/s.

Vlakna, skozi katera poteka vzbujanje, imajo specifičen ovoj. V grobem ta sistem spominja na električni kabel. Sestava membrane je lahko mielinska ali nemielinska. Najpomembnejša sestavina mielinske ovojnice je mielin, ki ima vlogo dielektrika.

Hitrost pulza je odvisna od več dejavnikov, na primer od debeline vlaken, hitreje se razvije hitrost; Drug dejavnik pri povečanju hitrosti prevodnosti je sam mielin. Toda hkrati se ne nahaja po celotni površini, temveč v odsekih, kot da bi bili nanizani skupaj. V skladu s tem so med temi področji tista, ki ostajajo »gola«. Povzročajo uhajanje toka iz aksona.

Akson je proces, ki se uporablja za prenos podatkov iz ene celice v ostalo. Ta proces uravnava sinapsa – neposredna povezava med nevroni oziroma nevronom in celico. Obstaja tudi tako imenovani sinaptični prostor ali špranja. Ko dražilni impulz prispe do nevrona, se med reakcijskim procesom sprostijo nevrotransmiterji (molekule). kemična sestava). Prehajajo skozi sinaptično odprtino in na koncu dosežejo receptorje nevrona ali celice, do katere je treba prenesti podatke. Kalcijevi ioni so potrebni za prevajanje živčnega impulza, saj brez tega ne pride do sproščanja nevrotransmiterja.

Avtonomni sistem zagotavljajo predvsem nemielinizirana tkiva. Navdušenje se skozi njih širi nenehno in neprekinjeno.

Načelo prenosa temelji na pojavu električno polje, zato se pojavi potencial, ki draži membrano sosednjega odseka in tako naprej skozi vlakno.

V tem primeru se akcijski potencial ne premika, ampak se pojavi in ​​izgine na enem mestu. Hitrost prenosa po takih vlaknih je 1-2 m/s.

Zakoni obnašanja

V medicini obstajajo štirje osnovni zakoni:

• Anatomska in fiziološka vrednost. Vzbujanje se izvede le, če ni kršitve celovitosti samega vlakna. Če enotnost ni zagotovljena, na primer zaradi kršitve ali uporabe drog, je prevodnost živčnega impulza nemogoča.
• Izolirano prevajanje draženja. Vzbujanje se lahko prenaša vzdolž živčnega vlakna, ne da bi se razširilo na sosednja.
• Bilateralna prevodnost. Pot impulznega prevoda je lahko samo dveh vrst - centrifugalne in centripetalne. Toda v resnici se smer pojavi v eni od možnosti.
• Nedekrementalna izvedba. Impulzi ne pojenjajo, z drugimi besedami, izvajajo se brez zmanjšanja.

Kemija prevajanja impulzov

Proces draženja nadzorujejo tudi ioni, predvsem kalij, natrij in nekateri organske spojine. Koncentracija teh snovi je različna, celica je v sebi negativno nabita, na površini pa pozitivno. Ta proces se bo imenoval potencialna razlika. Ko negativni naboj niha, na primer, ko se zmanjša, se izzove potencialna razlika in ta proces imenujemo depolarizacija.

Stimulacija nevrona povzroči odprtje natrijevih kanalčkov na mestu stimulacije. To lahko olajša vstop pozitivno nabitih delcev v celico. V skladu s tem se zmanjša negativni naboj in pojavi se akcijski potencial ali živčni impulz. Po tem se natrijevi kanali ponovno zaprejo.

Pogosto se ugotovi, da oslabitev polarizacije spodbuja odpiranje kalijevih kanalov, kar izzove sproščanje pozitivno nabitih kalijevih ionov. To dejanje zmanjša negativni naboj na celični površini.

Potencial mirovanja oziroma elektrokemično stanje se vzpostavi, ko se aktivirajo kalijevo-natrijeve črpalke, s pomočjo katerih celico zapustijo natrijevi ioni, vanjo pa vstopajo kalijevi ioni.

Posledično lahko rečemo, da se ob ponovnem zagonu elektrokemičnih procesov pojavijo impulzi, ki potujejo po vlaknih.

Preučevanje narave živčnega impulza je bilo povezano s posebnimi težavami, saj pri prehodu impulza vzdolž živca ne pride do vidnih sprememb. Šele pred kratkim je bilo z razvojem mikrokemijskih metod mogoče dokazati, da živec med prevajanjem impulza porabi več energije, porabi več kisika in sprosti več ogljikovega dioksida kot v mirovanju. To kaže, da so oksidativne reakcije vključene v prevajanje impulza, v obnovitev začetnega stanja po prevajanju ali v oba procesa.

Ko so pred približno 100 leti ugotovili, da živčni impulz spremljajo določeni električni pojavi, se je pojavilo mnenje, da je sam impulz električni tok. Takrat je bilo znano, da električni tok potuje zelo hitro, zato je veljalo, da je hitrost širjenja živčnega impulza prehitra, da bi jo lahko izmerili. Deset let pozneje je Helmholtz izmeril hitrost prevajanja impulza s stimulacijo živca, ki vodi do mišice na različnih razdaljah od mišice, in z merjenjem časa, ki je pretekel med stimulacijo in kontrakcijo. Na ta način je pokazal, da živčni impulz potuje veliko počasneje od električnega – v živčevju žabe s hitrostjo okoli 30 m/sek. To je seveda pokazalo, da živčni impulz ni električni tok, kot je tok v bakreni žici. Poleg tega mrtev ali stisnjen živec še vedno prevaja tok, vendar ne prevaja živčnih impulzov, in ne glede na to, ali živce stimuliramo s tokom, dotikom, toploto ali kemičnimi sredstvi, nastali impulz potuje s hitrostjo istega reda sklepati, da živčni impulz ni električni tok, temveč elektrokemična motnja v živčnem vlaknu. Motnja, ki jo povzroči dražljaj v enem delu živčnega vlakna, povzroči enako motnjo v drugem. sosednja parcela in tako naprej, dokler impulz ne doseže konca vlakna. Tako je prenos impulza podoben gorenju bickfordove vrvice: iz toplote, ki se sprosti, ko en odsek vrvice zgori, se prižge naslednji odsek itd. V živcu vlogo toplote igra električni pojavi, ki, ko se pojavijo na enem področju, spodbujajo naslednje.

Prenos živčnega impulza je v nekaterih drugih pogledih podoben gorenju vrvice. Hitrost gorenja varovalke ni odvisna od količine toplote, porabljene za njen vžig, če ta toplota zadošča za vžig varovalke. Način vžiga ni pomemben. Enako je z živcem. Živec se ne bo odzval, dokler se nanj ne uporabi določena minimalna količina stimulacije, vendar nadaljnje povečanje moči stimulacije ne bo povzročilo hitrejšega potovanja impulza. To je posledica dejstva, da energijo za prevajanje impulza dovaja sam živec in ne dražljaj. Opisani pojav se odraža v zakonu »vse ali nič«: živčni impulz ni odvisen od narave in moči dražljaja, ki ga je povzročil, razen če je dražljaj dovolj močan, da povzroči pojav impulza. Čeprav hitrost prevajanja ni odvisna od moči dražljaja, je odvisna od stanja živčnega vlakna, različne snovi pa lahko prenos impulza upočasnijo ali onemogočijo.

Zgorele vrvice ni mogoče ponovno uporabiti, vendar je živčno vlakno sposobno obnoviti prvotno stanje in prenašati druge impulze. Ne more pa jih prevajati neprekinjeno: po prevajanju enega impulza mine določen čas, preden lahko vlakno odda drugi impulz. To obdobje, imenovano refraktorna doba, traja od 0,0005 do 0,002 sekunde. V tem času pride do kemičnih in fizikalnih sprememb, zaradi katerih se vlakna povrnejo v prvotno stanje.

Kolikor vemo, so impulzi, ki jih prenašajo vse vrste - motorični, senzorični ali interkalarni - v bistvu podobni drug drugemu. tistega

impulz povzroči občutek svetlobe, drugi - občutek zvoka, tretji - krčenje mišic, četrti pa stimulira sekretorno aktivnost žleze, kar je v celoti odvisno od narave struktur, do katerih prihajajo impulzi, in ne od katerega koli značilnosti samih impulzov.

Čeprav lahko živčno vlakno stimuliramo kjerkoli na njem, je v normalnih pogojih stimuliran samo en konec, od katerega potuje impulz po vlaknu do njegovega drugega konca1. Povezava med zaporednimi nevroni se imenuje. Živčni impulz se prenaša od aksonske konice enega nevrona do dendrita naslednjega prek sinaptične povezave s sproščanjem določene snovi na aksonski konici. Ta snov povzroči pojav živčnega impulza v dendritu naslednjega aksona. Prenos vzbujanja skozi sinapso poteka veliko počasneje kot njegov prenos vzdolž živca. V normalnih pogojih impulzi potujejo samo v eno smer: v senzoričnih nevronih gredo od senzoričnih organov do hrbtenjače in možganov, v motoričnih nevronih pa od možganov in hrbtenjača do mišic in žlez. Smer določa sinapsa, saj je samo konica aksona sposobna sprostiti snov, ki stimulira drug nevron. Vsako posamezno živčno vlakno lahko vodi impulz v obe smeri; pri električnem draženju vlakna se nekje na sredini pojavita dva impulza, od katerih gre eden v eno smer, drugi pa v drugo (te impulze lahko zaznamo z ustreznimi električnimi napravami). vendar le tisti, ki gre proti konici aksona, lahko stimulira naslednji nevron v vezju. Impulz, ki gre do dendrita, se "ustavi", ko doseže svoj konec.

Kemični in električni procesi, ki sodelujejo pri prenosu živčnih impulzov, so v mnogih pogledih podobni procesom, ki se pojavljajo med krčenjem mišic. Toda živec, ki vodi impulze, porabi zelo malo energije v primerjavi z mišico, ki se krči; toplota, ki nastane pri draženju živca v 1 minuti, na 1 g tkiva, je enakovredna energiji, ki se sprosti pri oksidaciji 0,000001 g glikogena. To "pomeni, da če bi živec vseboval samo 1 % glikogena kot vir energije, bi ga lahko stimulirali neprekinjeno en teden in zaloga glikogena ne bi bila izčrpana. Z ustrezno oskrbo s kisikom so živčna vlakna praktično neutrudljiva. narava "duševna utrujenost", to ne more biti prava utrujenost živčnih vlaken.

Kot rezultat evolucije živčnega sistema ljudi in drugih živali so nastala kompleksna informacijska omrežja, katerih procesi temeljijo na kemične reakcije. Najpomembnejši elementi živčnega sistema so specializirane celice nevroni. Nevroni so sestavljeni iz kompaktnega celičnega telesa, ki vsebuje jedro in druge organele. Iz tega telesa sega več razvejanih procesov. Večina teh procesov, imenovanih dendriti, služijo kot kontaktne točke za sprejemanje signalov iz drugih nevronov. Pokliče se en proces, običajno najdaljši akson in prenaša signale na druge nevrone. Konec aksona se lahko večkrat razveji in vsaka od teh manjših vej se lahko poveže z naslednjim nevronom.

V zunanji plasti aksona je kompleksna struktura, ki ga tvorijo številne molekule, ki delujejo kot kanali, skozi katere lahko ioni tečejo v celico in iz nje. En konec teh molekul se z odklonom pritrdi na ciljni atom. Energija iz drugih delov celice se nato uporabi za potiskanje tega atoma iz celice, medtem ko obratni proces pripelje drugo molekulo v celico. Najvišja vrednost ima molekularno črpalko, ki odstranjuje natrijeve ione iz celice in vanjo vnaša kalijeve ione (natrijevo-kalijeva črpalka).

Ko celica miruje in ne prevaja živčnih impulzov, natrijeva-kalijeva črpalka premakne kalijeve ione v celico in odstrani natrijeve ione ven (predstavljajte si celico, ki vsebuje sveža voda in obdan s slano vodo). Zaradi tega neravnovesja potencialna razlika na membrani aksona doseže 70 milivoltov (približno 5 % napetosti običajne baterije AA).

Ko pa se stanje celice spremeni in je akson stimuliran z električnim impulzom, se ravnovesje na membrani poruši in natrijeva-kalijeva črpalka začne za kratek čas delovati v nasprotni smeri. Pozitivno nabiti natrijevi ioni vstopijo v akson, kalijevi ioni pa se izčrpajo. Za trenutek notranje okolje akson pridobi pozitiven naboj. V tem primeru se kanali natrijevo-kalijeve črpalke deformirajo, kar blokira nadaljnji dotok natrija, kalijevi ioni pa še naprej odtekajo ven in obnovi se prvotna potencialna razlika. Medtem se natrijevi ioni razširijo znotraj aksona in spremenijo membrano na dnu aksona. Hkrati se spremeni stanje črpalk, ki se nahajajo spodaj, kar spodbuja nadaljnje širjenje impulza. Ostra sprememba napetosti, ki jo povzroči hitro gibanje natrijevih in kalijevih ionov, se imenuje akcijski potencial. Ko gre akcijski potencial skozi določeno točko na aksonu, se črpalke vklopijo in vzpostavijo stanje mirovanja.

Akcijski potencial potuje precej počasi - ne več kot delček palca na sekundo. Da bi povečali hitrost prenosa impulza (saj navsezadnje ni dobro, da signal iz možganov doseže minuto, da doseže roko), so aksoni obdani z mielinsko ovojnico, ki preprečuje dotok in odtok kalija in natrija. Mielinska ovojnica ni neprekinjena - v določenih intervalih so v njej prekinitve in živčni impulz skoči iz enega "okna" v drugega, zaradi česar se hitrost prenosa impulza poveča.

Ko impulz doseže konec glavnega dela telesa aksona, ga je treba prenesti na naslednji spodaj ležeči nevron ali, če govorimo o o nevronih v možganih, preko številnih vej do mnogih drugih nevronov. Za takšen prenos se uporablja povsem drugačen postopek kot za prenos impulza po aksonu. Vsak nevron je od sosednjega ločen z majhno vrzeljo, imenovano sinapse. Akcijski potencial ne more preskočiti te vrzeli, zato je treba najti drug način za prenos impulza na naslednji nevron. Na koncu vsakega procesa so drobne vrečke, imenovane ( presinaptični) mehurčki, od katerih vsaka vsebuje posebne spojine - nevrotransmiterji. Ko se pojavi akcijski potencial, ti vezikli sprostijo molekule nevrotransmiterjev, ki prečkajo sinapso in se vežejo na specifične molekularne receptorje na membrani spodnjih nevronov. Ko se nevrotransmiter pritrdi, se ravnovesje na nevronski membrani poruši. Zdaj bomo razmislili, ali se ob takšnem neravnovesju pojavi nov akcijski potencial (nevroznanstveniki še naprej iščejo odgovor na to pomembno vprašanješe vedno).

Potem ko nevrotransmiterji prenesejo živčni impulz od enega nevrona do drugega, lahko preprosto difundirajo ali se kemično razgradijo ali vrnejo nazaj v svoje vezikle (ta proces se nerodno imenuje ponovno ujeti). Ob koncu 20. stoletja je bila storjena neverjetna stvar znanstveno odkritje- izkazalo se je, da se zdravila, ki vplivajo na sproščanje in ponovni privzem nevrotransmiterjev, lahko korenito spremenijo duševno stanje oseba. Prozac* in podobni antidepresivi blokirajo ponovni privzem nevrotransmiterja serotonina. Kaže, da je Parkinsonova bolezen povezana s pomanjkanjem nevrotransmiterja dopamina v možganih. Raziskovalci, ki preučujejo mejna stanja v psihiatriji, poskušajo razumeti, kako te spojine vplivajo na človeško razmišljanje.

Še vedno ni odgovora na temeljno vprašanje, kaj povzroči, da nevron sproži akcijski potencial – v strokovnem jeziku nevrofiziologov je mehanizem »proženja« nevrona nejasen. Pri tem so še posebej zanimivi nevroni v možganih, ki lahko sprejemajo nevrotransmiterje, ki jih pošilja tisoč sosedov. O procesiranju in integraciji teh impulzov ni znanega skoraj nič, čeprav se s tem problemom ukvarja veliko raziskovalnih skupin. Vemo le, da nevron izvaja proces integracije vhodnih impulzov in se odloči, ali bo sprožil akcijski potencial in oddal impulz naprej. Ta temeljni proces nadzoruje delovanje celotnih možganov. Ni presenetljivo, da ta največja skrivnost narave ostaja, vsaj še danes, skrivnost za znanost!