Як іде нервовий імпульс. Нервовий імпульс, його перетворення та механізм передачі. Периферична нервова система

НЕРВНИЙ ІМПУЛЬС(лат. nervus нерв; лат. impulsus удар, поштовх) - хвиля збудження, що розповсюджується по нервовому волокну; одиниця поширення збудження.

Н. в. забезпечує передачу інформації від рецепторів до нервових центрів і від них до виконавчих органів - скелетної мускулатури, гладких м'язів внутрішніх органів і судин, залоз внутрішньої та зовнішньої секреції тощо.

Складна інформація про подразнення, що діють на організм, кодується у вигляді окремих груп Н. і.- рядів. Відповідно до закону «Все або нічого» (див.) амплітуда і тривалість окремих Н. і., що проходять по тому самому волокну, постійні, а частота і кількість Н. в. у ряді залежать від інтенсивності подразнення. Такий спосіб передачі є найбільш завадостійким, т. е. у межах не залежить стану провідних волокон.

Поширення Н. в. ототожнюється із проведенням потенціалів дії (див. Біоелектричні потенціали). Виникнення збудження може бути результатом подразнення, наприклад, вплив світла на зоровий рецептор, звуку на слуховий рецептор, або процесів, що протікають у тканинах (спонтанне виникнення Н. і.). У цих випадках Н. в. забезпечують узгоджену роботу органів при протіканні будь-якого фізіолу, процесу (напр., в процесі дихання Н. і. викликають скорочення скелетних м'язів і діафрагми, результатом чого є вдих і видих, і т. д.).

У живих організмах передача інформації може здійснюватися і гуморальним шляхом, за допомогою викиду в русло крові гормонів, медіаторів і т. п. Однак перевага інформації, що передається за допомогою Н. і., полягає в тому, що вона цілеспрямованіша, передається швидко і може бути точніше закодована, ніж сигнали, що посилаються гуморальною системою.

Факт, що нервові стовбури є шляхом, по якому передаються впливу від мозку до м'язів і в зворотному напрямку, був відомий ще в епоху античності. У середні віки і до середини 17 в. вважалося, що нервами поширюється якась субстанція, подібна рідини чи полум'я. Ідея про електричну природу Н. в. виникла у 18 ст. Перші дослідження електричних явищу живих тканинах, пов'язаних із виникненням та поширенням збудження, були здійснені Л. Галь-вані. Г. Гельмгольц показав, що швидкість поширення Н. і., яку раніше вважали близькою до швидкості світла, має кінцеве значення і може бути точно виміряна. Герман (L. Hermann) увів у фізіологію поняття потенціалу дії. Пояснення механізму виникнення та проведення збудження стало можливим після створення С. Арреніуса теорії електролітичної дисоціації. Відповідно до цієї теорії Бернштейн (J. Bernstein) припустив, що виникнення та проведення Н. і. обумовлено переміщенням іонів між нервовим волокном та довкіллям. Англ. дослідники А. Ходжкін, Б. Катц та Е. Хакслі детально досліджували трансмембранні іонні струми, що лежать в основі розвитку потенціалу дії. Пізніше стали інтенсивно вивчатися механізми роботи іонних каналів, по яких відбувається обмін іонами між аксоном і навколишнім середовищем, і механізми, що забезпечують здатність нервових волокон проводити ряди Н. і. різного ритму та тривалості.

Н. в. поширюється за рахунок місцевих струмів, що виникають між збудженою та незбудженою ділянками нервового волокна. Струм, що виходить з волокна назовні в ділянці, що покоїться, служить подразником. Рефрактерність, що настає після збудження в даній ділянці нервового волокна, обумовлює поступальний рух Н. і.

Кількісно співвідношення різних фаз розвитку потенціалу дії можна охарактеризувати, зіставляючи їх за амплітудою та тривалістю в часі. Так, напр., для мієлінових нервових волокон групи А ссавців діаметр волокна знаходиться в межах 1-22 мк, швидкість проведення - 5-120 м/сек, тривалість та амплітуда високовольтної частини (піка, або спайка) - 0,4-0, 5 мсек і 100-120 мв відповідно, слідовий негативний потенціал - 12-20 мсек (3-5% від амплітуди спайка), слідовий позитивний потенціал - 40-60 мсек (0,2% від амплітуди спайка).

Можливості передачі різноманітної інформації розширюються з допомогою підвищення швидкості розвитку потенціалу дії, швидкості поширення, і навіть з допомогою підвищення лабільності (див.) - т. е. здатності возбудимого освіти відтворювати за одиницю часу високі ритми возбуждения.

Конкретні особливості поширення Н. в. пов'язані з будовою нервових волокон (див.). Серцевина волокна (аксоплазма) має низький опір і, відповідно, хорошу провідність, а оточуюча аксоплазму плазматична мембрана - великим опором. Особливо велике електричний опірзовнішнього шару у мієлінізованих волокон, у яких брало вільні від товстої мієлінової оболонки тільки перехоплення Ранв'є. У безмієлінових волокнах Н. і. рухається безперервно, а в мієлінових - стрибкоподібно (сальтаторне проведення).

Розрізняють декрементне та бездекрементне поширення хвилі збудження. Декрементне проведення, тобто проведення збудження зі згасанням, спостерігається у безмієлінових волокнах. У таких волокнах швидкість проведення Н. в. невелика і в міру віддалення від місця роздратування подразнювальна дія місцевих струмів поступово зменшується до повного згасання. Декрементне проведення властиве волокнам, що іннервують внутрішні органи, що мають низьку функцію, рухливістю. Без декрементне проведення характерно для мієлінових і тих безмієлінових волокон, які передають сигнали до органів, що мають високу реактивність (напр., серцевий м'яз). При бездекрементному проведенні Н. в. проходить весь шлях від місця роздратування до місця реалізації без загасання.

Максимальна швидкість проведення Н. і., зареєстрована у швидкопровідних нервових волокнах ссавців, становить 120 м/сек. Високі швидкості проведення імпульсу можуть бути досягнуті за рахунок збільшення діаметра нервового волокна (у безмієлінових волокон) або за рахунок підвищення ступеня мієлінізації. Поширення одиночного Н. в. саме собою не вимагає безпосередніх енергетичних витрат, т. до. за певного рівня поляризації мембрани кожна ділянка нервового волокна перебуває у стані готовності до проведення і дратівливий стимул грає роль «спускового курка». Однак відновлення вихідного стану нервового волокна та підтримання його в готовності до проведення нового Н. в. пов'язано з витратою енергії біохім, реакцій, що протікають у нервовому волокні. Процеси відновлення набувають велике значенняу разі проведення рядів Н. в. При проведенні ритмічного збудження (рядів імпульсів) в нервових волокнах приблизно вдвічі зростає теплопродукція і споживання кисню, витрачаються макроергічні фосфати і підвищується активність Na, K-АТФ-ази до ототожнюють з натрієвим насосом. Зміна інтенсивності перебігу різних фіз.-хім. і біохім, процесів залежить від характеру ритмічного збудження (тривалість рядів імпульсів та частота їхнього прямування) і фізіол, стану нерва. При проведенні великої кількостіН. в. у високому ритмі в нервових волокнах може накопичуватися «метаболічний борг» (це знаходить свій відбиток у збільшенні сумарних слідових потенціалів), і тоді процеси відновлення затягуються. Але й у умовах здатність нервових волокон проводити Н. в. довгий час залишається незмінною.

Передача Н. в. з нервового волокна на м'язове або якийсь інший ефектор здійснюється через синапси (див.). У хребетних тварин у переважній більшості випадків передача збудження ефектор відбувається за допомогою виділення ацетилхоліну (нервово-м'язові синапси скелетної мускулатури, синаптичні сполуки в серці та ін.). Для таких синапсів характерно одностороннє проведення імпульсу і наявність тимчасової затримки передачі збудження.

У синапсах, в синаптичній щілини яких опір електричному струму завдяки великій площі поверхонь, що контактують мало, відбувається електрична передача збудження. У них немає синаптичної затримки проведення та можливе двостороннє проведення. Такі синапси властиві безхребетним тваринам.

Реєстрація Н. в. знайшла широке застосування в біол, дослідженнях та клин, практиці. Для реєстрації використовують шлейфні та частіше катодні осцилографи (див. Осцилографія). За допомогою мікроелектродної техніки (див. Мікроелектродний метод дослідження) реєструють Н. в. в одиночних збудливих утвореннях – нейронах та аксонах. Можливості дослідження механізму виникнення та поширення Н. в. значно розширилися після розробки методу фіксації потенціалу. Цим методом було отримано основні дані про іонні струми (див. Біоелектричні потенціали).

Порушення проведення Н. в. відбувається при пошкодженні нервових стовбурів, напр, при механічних травмах, здавлюванні внаслідок розростання пухлини або запальних процесів. Такі порушення проведення Н. в. найчастіше бувають незворотні. Наслідком припинення іннервації можуть бути важкі функціональні та трофічні розлади (напр., атрофія скелетних м'язів кінцівок після припинення надходження Н. і. внаслідок незворотної травми нервового стовбура). Оборотне припинення проведення Н. в. може бути викликано спеціально, у терапевтичних цілях. Напр., за допомогою анестезуючих засобів блокують імпульсацію, що йде від больових рецепторів у ц. н. с. Оборотне припинення проведення Н. в. викликає і новокаїнова блокада. Тимчасове припинення передачі Н. в. з нервових провідників спостерігається і під час загального наркозу.

Бібліографія:Бpеже М. А. Електрична активність нервової системи, пров. з англ., М., 1979; Жуков Е. К. Нариси з нервово-м'язової фізіології, JI., 1969; К о н н е л і К. Відновлювальні процеси та обмін речовин у нерві, в кн.: Совр, пробл. біофізики, пров. з англ., за ред. Г. М. Франка та А. Г. Па-синського, т. 2, с. 211, М., 1961;

Костюк П. Г. Фізіологія центральної нервової системи, Київ, 1977; Латма-низова JI. Ст Нарис фізіології збудження, М., 1972; Загальна фізіологія нервової системи, за ред. П. Г. Костюка, JI., 1979; T а с а к і І. Нервове збудження, пров. з англ., М., 1971; Ходжкін А. Нервовий імпульс, пров. з англ., М., 1965; Ходоров Би. І. Загальна фізіологія збудливих мембран, М., 1975.

Нейрони повідомляються між собою за допомогою «нервових повідомлень». Ці «повідомлення» схожі на електричний струм, який біжить проводами. Іноді, при передачі від одного нейрона до іншого, ці імпульси перетворюються на хімічні повідомлення.

Нервові імпульси

Інформація передається між нейронами подібно до електричного струму в проводах. Ці повідомлення закодовані: вони є послідовністю абсолютно однакових імпульсів. Сам код криється в їхній частоті, тобто в числі імпульсів за секунду. Імпульси передаються від клітини до клітини, від дендриту, у якому виникають, до аксону, якою вони проходять. Але є й відмінність від електричних мереж- Імпульси передаються не за допомогою електронів *, а за допомогою більш складних частинок - іонів.

Медикаменти, що впливають на швидкість імпульсів

Існує багато хімічних препаратів, здатних змінити характеристики передачі нервових імпульсів. Як правило, вони діють на синаптичному рівні. Анестетики та транквілізатори уповільнюють, а іноді й взагалі пригнічують передачу імпульсів. А антидепресанти та стимулятори, такі як кофеїн, навпаки сприяють кращій їх передачі.

З величезною швидкістю

Нервові імпульси мають швидко проходити тілом. Прискорити їх проходження нейронам допомагають навколишні гліальні клітини. Вони утворюють оболонку нервового волокна, яку називають мієліновою. В результаті імпульси йдуть з дивовижною швидкістю - понад 400 км/год.

Хімічні зв'язки

Повідомлення, що передаються від нейрона до нейрона, повинні перетворюватися з електричної на хімічну форму. Це пов'язано з тим, що, незважаючи на свою численність, нейрони ніколи не стикаються між собою. Але електричні імпульси що неспроможні передаватися, якщо немає фізичного контакту. Тому нейрони використовують для зв'язку між собою спеціальну систему, яку називають синапсами. У цих місцях нейрони розділені вузьким простором синаптичної щілиною. Коли електричний імпульс приходить до першого нейрона, він вивільняє із синапсу хімічні молекули, Так звані нейромедіатори Ці речовини, що виробляються нейронами, переміщуються через синаптичну щілину і потрапляють на спеціально призначені їм рецептори іншого нейрона. Внаслідок цього виникає ще один електричний імпульс.

Імпульс між нейронами проходить менше, ніж за тисячну секунду.

Різниця нейро-медіаторів

Мозком виробляється близько півсотні нейромедіаторів, які можна поділити на дві групи. Перша складається з тих, що ініціюють виникнення нервового імпульсу, – їх називають збуджуючими. Інші, навпаки, уповільнюють його виникнення - це нейромедіатори, що гальмують. Варто відзначити, що в більшості випадків нейрон виділяє лише один тип нейромедіаторів. І залежно від того, чи він збуджує або гальмує, нейрон по-різному впливає на сусідні нервові клітини.

Штучна стимуляція

Окремий нейрон або групу нейронів можна стимулювати штучно за допомогою введених в них електродів, що направляють електричні імпульси в точно визначені зони мозку. Цей метод іноді використовують у медицині, зокрема для лікування хворих на хворобу Паркінсона Ця хвороба, що проявляється в літньому віці, супроводжується тремтінням кінцівок. Це тремтіння може бути зупинено шляхом постійної стимуляції конкретної зони мозку.

Нейрон - мікрокомп'ютер

Кожен із нейронів здатний приймати сотні повідомлень за секунду. І, щоб не виявитися перевантаженою інформацією, він повинен вміти судити про ступінь її значущості та робити її попередній аналіз. Ця обчислювальна діяльність відбувається усередині клітини. Там складаються збуджуючі і віднімаються імпульси, що гальмують. І, для того щоб нейрон згенерував власний імпульс, необхідно, щоб сума попередніх виявилася більшою за певне значення. Якщо складання збуджуючих і гальмівних імпульсів не перевищить цю межу, нейрон «мовчатиме».

Інформаційні дороги

У всьому цьому поєднанні нейронів існують чудово позначені шляхи. Подібні ідеї, подібні спогади проходять, наводячи завжди на дію одні й самі нейрони і синапси. Досі невідомо, як виникають і підтримуються ці, подібні до контурів електронних схем зв'язку, але очевидно, що вони існують і що, чим вони міцніші, тим вони ефективніші. Синапси, що часто використовуються, працюють швидше. Цим і пояснюється те, чому ми швидше згадуємо речі, які ми бачили чи повторювали кілька разів. Однак ці зв'язки виникають не назавжди. Деякі з них можуть зникнути, якщо їх недостатньо використовували, а на їхньому місці виникнуть нові. За потреби нейрони завжди здатні створювати нові зв'язки.

Маленькі зелені крапки на фото - гормони всередині кровоносних судин

Хімічний допінг

Коли кажуть, що спортсмен використовував гормональний допінг, це означає, що він приймав гормони у вигляді таблеток, або вводячи їх безпосередньо в кров. Гормони бувають природними чи штучними. Найпоширеніші – гормони росту та стероїди, за рахунок яких м'язи стають більшими і сильнішими, а також еритропоетин – гормон, який прискорює доставку. поживних речовиндо м'язів.

Мозок здатний проводити мільйони операцій за частки секунди.

На мозок працюють гормони

Для обміну інформацією мозком використовується інший інструмент - гормони. Ці хімічні сполукичастково виробляються самим мозком групи нейронів, розташованих у гипоталамусе. Ці гормони контролюють виробництво інших, що виробляються в інших частинах тіла в ендокринних залозах. Вони діють інакше, ніж нейромедіатори, які фіксуються безпосередньо на нейронах і переносяться з кров'ю до віддалених від мозку органів тіла, таких як груди, яєчники, чоловічі сім'яники, нирки. Закріплюючись з їхньої рецепторах, гормони викликають різні фізіологічні реакції. Вони, наприклад, сприяють зростанню кісток та м'язів, керують почуттям голоду та спраги та, звичайно, впливають на сексуальну активність.

Мотонейрон.

Управління скорочувальною активністю м'яза здійснюється за допомогою великої кількості мотонейронів– нервових клітин, тіла яких лежать у спинному мозку, а довгі відгалуження – аксониу складі рухового нерва підходять до м'яза. Увійшовши в м'яз, аксон розгалужується на безліч гілочок, кожна з яких підведена до окремого волокна, подібно до електричних проводів приєднаних до будинків. Таким чином, один мотонейрон управляє цілою групою волокон (так звана нейромоторна одиниця), що працює як єдине ціле.

М'яз складається з безлічі нейромоторних одиниць і здатна працювати не всією своєю масою, а частинами, що дозволяє регулювати силу та швидкість скорочення.

Розглянемо детальнішу будову клітини нейрона.

Структурною та функціональною одиницею нервової системи є нервова клітина – нейрон.

Нейрони– спеціалізовані клітини, здатні приймати, обробляти, передавати та зберігати інформацію, організовувати реакцію на подразнення, встановлювати контакти з іншими нейронами, клітинами органів.

Нейрон складається з тіла діаметром від 3 до 130 мкм, що містить ядро ​​(з великою кількістю ядерних пір) та органели (у тому числі сильно розвинений шорсткий ендоплазматичний ретикулум з активними рибосомами, апарат Гольджі), а також відростків. Виділяють два види відростків: дендрити та аксони.Нейрон має розвинений і складний цитоскелет, що проникає у його відростки. Цитоскелет підтримує форму клітини, його нитки служать «рейками» для транспорту органел і упакованих у мембранні бульбашки речовин (наприклад, нейромедіаторів).

Дендрити- короткі відростки, що гілкуються, сприймають сигнали від інших нейронів, рецепторних клітин або безпосередньо від зовнішніх подразників. Дендрит проводить нервові імпульси до тіла нейрона.

Аксони- Довгий відросток, для проведення збудження від тіла нейрона.

Унікальними здібностями нейрона є:

- здатність генерувати електричні заряди
- передавати інформацію за допомогою спеціалізованих закінчень –синапсів.

Нервовий імпульс.

Отже, як відбувається передача нервового імпульсу?
Якщо подразнення нейрона перевищує певну порогову величину, то точці стимуляції виникає серія хімічних та електричних змін, які поширюються у всьому нейрону. Електронні зміни, що передаються, називаються нервовим імпульсом.

На відміну від простого електричного розряду, який через опір нейрона буде поступово слабшати і зуміє подолати лише коротку відстань, набагато повільніше «біжить» нервовий імпульс у процесі поширення постійно відновлюється (регенерує).
Концентрації іонів (електрично заряджених атомів) – головним чином натрію та калію, а також органічних речовин- поза нейроном і всередині нього неоднакові, тому нервова клітина у стані спокою заряджена зсередини негативно, а зовні позитивно; в результаті на мембрані клітини виникає різниця потенціалів (т.зв. «потенціал спокою» дорівнює приблизно -70 мілівольт). Будь-які зміни, які зменшують негативний заряд усередині клітини і тим самим різниця потенціалів на мембрані, називаються деполяризацією.
Плазматична мембрана, що оточує нейрон, - складне утворення, що складається з ліпідів (жирів), білків та вуглеводів. Вона практично непроникна для іонів. Але частина білкових молекул мембрани формує канали, якими певні іони можуть проходити. Однак ці канали, звані іонними, відкриті не завжди, а, подібно до воріт, можуть відкриватися і закриватися.
При подразненні нейрона деякі з натрієвих (Na+) каналів відкриваються у точці стимуляції, завдяки чому іони натрію входять усередину клітини. Приплив цих позитивно заряджених іонів знижує негативний заряд внутрішньої поверхні мембрани в області каналу, що призводить до деполяризації, що супроводжується різкою зміною вольтажу та розрядом – виникає т.зв. «потенціал дії», тобто. нервовий імпульс. Потім натрієві канали закриваються.
У багатьох нейронах деполяризація викликає також відкриття калієвих (K+) каналів, унаслідок чого іони калію виходять із клітини. Втрата цих позитивно заряджених іонів знову збільшує негативний заряд внутрішньої поверхні мембрани. Потім калієві канали закриваються. Починають працювати інші мембранні білки – т.зв. калій-натрієві насоси, що забезпечують переміщення Na+ з клітини, а K+ всередину клітини, що поряд з діяльністю калієвих каналів відновлює вихідний електрохімічний стан (потенціал спокою) у точці стимуляції.
Електрохімічні зміни у точці стимуляції викликають деполяризацію у прилеглій точці мембрани, запускаючи у ній такий самий цикл змін. Цей процес постійно повторюється, причому у кожній новій точці, де відбувається деполяризація, народжується імпульс тієї ж величини, що й у попередній точці. Таким чином, разом з електрохімічним циклом, що відновлюється, нервовий імпульс поширюється по нейрону від точки до точки.

Ми з'ясували, як нервовий імпульс проходить по нейрону, тепер розберемося з тим, як же передається імпульс від аксона до м'язового волокна.

Синапс.

Аксон розміщується в м'язовому волокні у своєрідних кишенях, що утворюється з випинання аксона та цитоплазми клітинного волокна.
Між ними утворюється нервово-м'язовий синапс.

Нервово-м'язовий синапс– нервове закінчення між аксоном мотонейрону та м'язовим волокном.

1. Аксон.
2. Клітинна мембрана.
3. Синаптичні везикули аксона.
4. Білок-рецептор.
5. Мітохондрія.

Синапс складається із трьох частин:
1) пресинаптичного (що віддає) елемента, що містить синаптичні бульбашки (везикули) з медіатором
2) синаптичної щілини (щілина передачі)
3) постсинаптичного (сприймаючого) елемента з білками-рецепторами, що забезпечують взаємодію медіатора з постсинаптичною мембраною та білками-ферментами, що руйнують або інактивують медіатор.

Пресинаптичний елемент- Елемент який віддає нервовий імпульс.
Постсинаптичний елемент- Елемент приймає нервовий імпульс.
Синаптична щілина- Проміжок у якому відбувається передача нервового імпульсу.

Коли нервовий імпульс у вигляді потенціалу дії (трансмембранний струм, зумовлений іонами натрію та калію) «приходить» до синапсу, пресинаптичний елемент надходять іони кальцію.

Медіатор– біологічно активна речовина, що виділяється нервовими закінченнями та передає нервовий імпульс у синапсі. У передачі імпульсу до м'язового волокна використовується медіатор – ацетилхолін.

Іони кальцію забезпечують розрив бульбашок та вихід медіатора у синаптичну щілину. Пройшовши через синаптичну щілину, медіатор зв'язується з білками-рецепторами на постсинаптичній мембрані. Внаслідок цієї взаємодії на постсинаптичній мембрані виникає новий нервовий імпульс, який передається іншим клітинам. Після взаємодії з рецепторами медіатор руйнується та видаляється білками-ферментами. Інформація передається іншим нервовим клітинам у закодованому вигляді (частотні характеристики потенціалів, що виникають на постсинаптичній мембрані; спрощеним аналогом такого коду є штрих-код на упаковках товарів). "Розшифрування" відбувається у відповідних нервових центрах.
Медіатор, що не зв'язався з рецептором, або руйнується спеціальними ферментами, або захоплюється назад у бульбашки пресинаптичного закінчення.

Заворожуюче відео про те, як проходить нервовий імпульс:

Ще красивіше відео

Сінапс

Як проводиться нервовий імпульс (слайд-шоу)

8317 0

Нейрони

У вищих тварин нервові клітини утворюють органи центральної нервової системи (ЦНС) - головний та спинний мозок- і периферичної нервової системи (ПНС), яка включає нерви та їх відростки, що з'єднують ЦНС з м'язами, залозами і рецепторами.

Структура

Нервові клітини не відтворюються мітозом (розподілом клітин). Нейрони називають амітотичними клітинами – якщо вони зруйновані, вони вже не відновляться. Ганглії - це пучки нервових клітин поза ЦНС. Усі нейрони складаються з наведених нижче елементів.

Тіло клітини. Це ядро ​​та цитоплазма.

Аксон.Це довгий, тонкий відросток, який передає інформацію від тіла клітини іншим киякам через сполуки, звані синапсами. Деякі аксони мають довжину менше сантиметра, інші — більше 90 див. Звуження на аксон через певний проміжок називаються перехопленнями Ранв'є.

Дендрити.Це мережа коротких волокон, які відходять від аксона чи тіла клітини та з'єднують кінці аксонів з інших нейронів. Дендрити отримують інформацію для клітини, отримуючи та проводячи сигнали. Кожен нейрон може мати сотні дендритів.

Структура нейрона

Функції

Нейрони контактують один з одним електрохімічним способом, передаючи імпульси по всьому тілу.

Мієлінова оболонка

. Шванівські клітини обвивають спіраллю один або більше аксонів (а), утворюючи мієлінову оболонку
. Вона складається з кількох шарів (можливо, 50-100) плазматичних мембран (б), між якими циркулює рідка цитозоль (цитоплазма, позбавлена ​​іпохондрій та ін елементів ендоплазматичної мережі), за винятком верхнього шару (В).
. Мієлінова оболонка навколо довгого аксона поділена на сегменти, кожен з яких утворений окремою клітиною Шванівської.
. Сусідні сегменти розділені звуженнями, які називають перехопленнями Ранвье (г)де аксон не має мієлінової оболонки.

Нервові імпульси

У вищих тварин сигнали посилаються по всьому тілу та від головного мозку у вигляді електричних імпульсів, що передаються через нерви. Нерви створюють імпульси, коли відбувається фізична, хімічна чи електрична зміна мембрани клітини.

1 нейрон, що спочиває

Нерн, що покоїться, має негативний заряд усередині мембрани клітини (а) і позитивний заряд поза цією мембраною (б). Таке явище називається залишковим потенціалом мембрани.

Він підтримується двома факторами:

Різна проникність клітинної мембрани для іонів натрію та калію, у яких однаковий позитивний заряд. Натрій дифузує (проходить) у клітину повільніше, ніж калій виходить із неї.

Обмін натрій-калій, у якому з клітини виходить більше позитивних іонів, ніж у неї. Через війну поза клітинної мембрани накопичується більшість позитивних іонів, ніж у ній.

2 Стимульований нейрон

Код нейрон стимулюється, проникність будь-якої ділянки (в) клітинної мембрани змінюється. Позитивні іони натрію (г) починають проникати в клітину швидше, ніж у положенні, що призводить до підвищення позитивного потенціалу всередині клітини. Це називається деполяризацією.

3 Нервовий імпульс

Деполяризація поступово поширюється протягом усього клітинну мембрану (д). Поступово заряди з обох боків клітинної мембрани змінюються (не деякий час). Це називається зворотної поляризацією. Це і є по суті нервовий імпульс, що передається вздовж клітинної мембрани нервової клітини.

4 Реполяризація

Проникність клітинної мембрани змінюється. Позитивні іони натрію (Na+) починають виходити із клітини (е). Нарешті, поза клітиною знову утворюється позитивний заряд, а всередині неї – позитивний. Цей процес називається реполяризацією.

Кандидат біологічних наук Л. Чайлахян, науковий співробітник Інституту біофізики АН СРСР

Читачка журналу Л. Горбунова (село Цибіно, Московської області) пише нам: «Мене цікавить механізм передачі сигналів по нервових, клітинах».

Лауреати Нобелівської премії 1963 (ліворуч): А. Ходжкін, Е. Хакслі, Д. Екклс.

Уявлення вчених про механізм передачі нервового імпульсу зазнали Останнім часомсуттєва зміна. Донедавна в науці панували погляди Бернштейна.

Мозок людини, без сумніву, найвище досягненняприроди. У кілограмі нервової тканини укладено квінтесенцію всієї людини, починаючи від регуляції життєвих функцій - роботи серця, легенів, травного тракту, печінки - і закінчуючи його духовним світом. Тут наші розумові здібності, все наше світовідчуття, пам'ять, розум, наша самосвідомість, наше «я». Пізнання механізмів роботи мозку – це пізнання самого себе.

Велика і приваблива мета, але неймовірно складний об'єкт дослідження. Жарт сказати, цей кілограм тканини є найскладнішу системузв'язки десятків мільярдів нервових клітин.

Однак перший суттєвий крок до пізнання роботи мозку вже зроблено. Можливо, він один із найлегших, але він надзвичайно важливий для всього подальшого.

Я маю на увазі дослідження механізму передачі нервових імпульсів - сигналів, що біжать нервами, як по проводах. Саме ці сигнали є тією абеткою мозку, за допомогою якої органи чуття посилають у центральну нервову систему відомості-депеші про події у зовнішньому світі. Нервовими імпульсами зашифровує мозок свої накази м'язам та різним внутрішнім органам. Нарешті, мовою цих сигналів говорять між собою окремі нервові клітини та нервові центри.

Нервові клітини - основний елемент мозку - різноманітні за величиною, за формою, але в принципі мають єдину будову. Кожна нервова клітина складається з трьох частин: з тіла, довгого нервового волокна – аксона (довжина його в людини від кількох міліметрів до метра) та кількох коротких гіллястих відростків – дендритів. Нервові клітини ізольовані одна від одної оболонками. Але все ж таки клітини взаємодіють між собою. Відбувається це у місці стику клітин; цей стик називається "синапс". У синапсі зустрічаються аксон однієї нервової клітини та тіло або дендрит іншої клітини. Причому цікаво, що збудження може передаватися тільки одному напрямку: від аксона до тіла чи дендриту, але у жодному разі назад. Синапс - це хіба що кенотрон: він пропускає сигнали лише одному напрямі.

У проблемі вивчення механізму нервового імпульсу та його поширення можна виділити два основні питання: природа проведення нервового імпульсу або порушення в межах однієї клітини – по волокну та механізм передачі нервового імпульсу від клітини до клітини – через синапси.

Якою є природа сигналів, що передаються від клітини до клітини по нервових волокнах?

Цією проблемою людина цікавилася вже давно, Декарт припускав, що поширення сигналу пов'язане з переливанням рідини нервами, як трубками. Ньютон думав, що це суто механічний процес. Коли з'явилась електромагнітна теоріяВчені вирішили, що нервовий імпульс аналогічний руху струму по провіднику зі швидкістю, близькою до швидкості поширення електромагнітних коливань. Нарешті, з розвитком біохімії з'явилася думка, що рух нервового імпульсу - це поширення вздовж нервового волокна особливої ​​біохімічної реакції.

І все ж таки жодне з цих уявлень не виправдалося.

В даний час природа нервового імпульсу розкрита: це напрочуд тонкий електрохімічний процес, в основі якого лежить переміщення іонів через оболонку клітини.

Великий внесок у розкриття цієї природи зробили роботи трьох вчених: Алана Ходжкіна, професора біофізики Кембриджського університету; Ендрью Хакслі, професора фізіології Лондонського університету, та Джона Екклса, професора фізіології австралійського університету в Канберрі. Їм присуджено Нобелівську премію в галузі медицини за 1963 рік,

Вперше припущення електрохімічної природі нервового імпульсу висловив відомий німецький фізіолог Бернштейн на початку нашого століття.

До початку двадцятого століття було багато відомо про нервовому збудженні. Вчені вже знали, що нервове волокно можна порушити електричним струмом, причому збудження завжди виникає під катодом – під мінусом. Було відомо, що збуджена ділянка нерва заряджається негативно по відношенню до незбудженої ділянки. Було встановлено, що нервовий імпульс у кожній точці триває всього 0,001-0,002 секунди, що величина збудження залежить від сили подразнення, як гучність дзвінка нашій квартирі залежить від цього, як сильно ми натискаємо кнопку. Нарешті вчені встановили, що носіями електричного струму в живих тканинах є іони; причому усередині клітини основний електроліт - солі калію, а тканинної рідини - солі натрію. Всередині більшості клітин концентрація іонів калію в 30-50 разів більша, ніж у крові та в міжклітинній рідині, що омиває клітини.

І ось на підставі всіх цих даних Бернштейн припустив, що оболонка нервових та м'язових клітин є особливою напівпроникною мембраною. Вона проникна тільки для іонів К+; для всіх інших іонів, у тому числі і для клітин, що знаходяться всередині, негативно заряджених аніонів, шлях закритий. Зрозуміло, що калій за законами дифузії прагнутиме вийти з клітини, у клітині виникає надлишок аніонів, і з обох боків мембрани з'явиться різниця потенціалів: зовні - плюс (надлишок катіонів), всередині - мінус (надлишок аніонів). Ця різниця потенціалів одержала назву потенціалу спокою. Таким чином, у спокої, у незбудженому стані внутрішня частина клітини завжди заряджена негативно порівняно із зовнішнім розчином.

Бернштейн припустив, що у момент порушення нервового волокна відбуваються структурні зміни поверхневої мембрани, її пори хіба що збільшуються, і вона стає проникною всім іонів. При цьому, звичайно, різниця потенціалів зникає. Це викликає нервовий сигнал.

Мембранна теорія Бернштейма швидко завоювала визнання та проіснувала понад 40 років, аж до середини нашого сторіччя.

Але вже наприкінці 30-х років теорія Бернштейна зустрілася з непереборними протиріччями. Сильного удару їй було завдано в 1939 тонкими експериментами Ходжкіна і Хакслі. Ці вчені вперше виміряли абсолютні величини мембранного потенціалу нервового волокна у спокої та при збудженні. Виявилося, що при збудженні мембранний потенціал не просто зменшувався до нуля, а переходив через нуль на кілька десятків мілівольт. Тобто внутрішня частина волокна із негативної ставала позитивною.

Але мало повалити теорію, треба замінити її іншою: наука не терпить вакууму. І Ходжкін, Хакслі, Катц у 1949-1953 роках пропонують нову теорію. Вона отримує назву натрієвої.

Тут читач має право здивуватися: досі про натрій не було мови. У цьому все й річ. Вчені встановили за допомогою мічених атомів, що у передачі нервового імпульсу замішані не тільки іони калію та аніони, а й іони натрію та хлору.

В організмі достатньо іонів натрію та хлору, всі знають, що кров солона на смак. Причому натрію міжклітинної рідини в 5-10 разів більше, ніж усередині нервового волокна.

Що це може означати? Вчені припустили, що при збудженні в першу мить різко збільшується проникність мембрани тільки для натрію. Проникність стає вдесятеро більше, ніж для іонів калію. Оскільки натрію зовні в 5-10 рез більше, ніж усередині, він прагнутиме увійти у нервове волокно. І тоді внутрішня частина волокна стане позитивною.

А через якийсь час – після збудження – рівновага відновлюється: мембрана починає пропускати й іони калію. І вони виходять назовні. Тим самим вони компенсують позитивний заряд, який був внесений всередину волокна іонами натрію.

Зовсім нелегко було дійти таких уявлень. І ось чому: діаметр іону натрію в розчині в півтора рази більше діаметра іонів калію і хлору. І зовсім незрозуміло, як більший за розміром іон проходить там, де не може пройти менший.

Потрібно було рішуче змінити погляд механізм переходу іонів через мембрани. Зрозуміло, що тільки міркуваннями про пори у мембрані тут не обійтися. І тоді була висловлена ​​ідея, що іони можуть перетинати мембрану зовсім іншим способом, за допомогою таємних до певного часу союзників - особливих органічних молекул-переносників, захованих у самій мембрані. За допомогою такої молекули іони можуть перетинати мембрану у будь-якому місці, а не лише через пори. Причому ці молекули-таксі добре розрізняють своїх пасажирів, де вони плутають іони натрію з іонами калію.

Тоді загальна картина поширення нервового імпульсу матиме такий вигляд. У спокої молекули-переносники, заряджені негативно, мембранним потенціалом притиснуті до зовнішньої межі мембрани. Тому проникність для натрію дуже мала: у 10-20 разів менша, ніж для іонів калію. Калій може перетинати мембрану через пори. При наближенні хвилі збудження зменшується тиск електричного поляна молекули-переносники; вони скидають свої електростатичні "окови" і починають переносити іони натрію всередину клітини. Це ще більше зменшує мембранний потенціал. Йде як ланцюговий процес перезарядки мембрани. І цей процес безперервно поширюється вздовж нервового волокна.

Цікаво, що нервові волокна витрачають на свою основну роботу – проведення нервових імпульсів – лише близько 15 хвилин на добу. Однак готові до цього волокна будь-якої секунди: всі елементи нервового волокна працюють без перерви - 24 години на добу. Нервові волокна в цьому сенсі подібні до літаків-перехоплювачів, у яких безперервно працюють мотори для миттєвого вильоту, проте сам виліт може відбутися лише раз на кілька місяців.

Ми познайомилися зараз із першою половиною таємничого акту проходження нервового імпульсу – вздовж одного волокна. А як передається збудження від клітини до клітини, через місця стиків - синапси. Це питання було досліджено у блискучих дослідах третього нобелівського лауреата, Джона Еклса.

Порушення не може безпосередньо перейти з нервових закінчень однієї клітини на тіло або дендрити іншої клітини. Практично весь струм випливає через синаптичну щілину у зовнішню рідину, і в сусідню клітину через синапс потрапляє нікчемна його частка, нездатна викликати збудження. Таким чином, в ділянці синапсів електрична безперервність у поширенні нервового імпульсу порушується. Тут, на стику двох клітин, набирає чинності зовсім інший механізм.

Коли збудження підходить до закінчення клітини, до місця синапсу, міжклітинну рідину виділяються фізіологічно. активні речовини- медіатори, чи посередники. Вони стають сполучною ланкою передачі інформації від клітини до клітини. Медіатор хімічно взаємодіє з другою нервовою клітиною, змінює іонну проникність її мембрани - хіба що пробиває пролом, у якому спрямовуються багато іони, зокрема і іони натрію.

Отже, завдяки роботам Ходжкіна, Хакслі та Екклса найважливіші стани нервової клітини – збудження та гальмування – можна описати у термінах іонних процесів, у термінах структурно-хімічних перебудов поверхневих мембран. На підставі цих робіт вже можна робити припущення про можливі механізми короткочасної та довготривалої пам'яті, про пластичні властивості нервової тканини. Однак це розмова про механізми в межах однієї або кількох клітин. Це лише абетка мозку. Очевидно, наступний етап, можливо, набагато складніший, - розтин законів, якими будується координуюча діяльність тисяч нервових клітин, розпізнання мови, якою розмовляють між собою нервові центри.

Ми зараз у пізнанні роботи мозку перебуваємо на рівні дитини, яка дізналася букви алфавіту, але не вміє пов'язувати їх у слова. Однак недалекий час, коли вчені за допомогою коду - елементарних біохімічних актів, що відбуваються в нервовій клітині, прочитають захоплюючий діалог між нервовими центрами мозку

Детальний опис ілюстрацій

Уявлення вчених про механізм передачі нервового імпульсу зазнали останнім часом суттєвої зміни. Донедавна в науці панували погляди Бернштейна. На його думку, у стані спокою (1) нервове волокно заряджено позитивно зовні та негативно всередині. Це тим, що крізь пори в стінці волокна можуть проходити лише позитивно заряджені іони калію (К +); великі за розмірами негативно вбрані аніони (А –) змушені залишатися всередині та створювати надлишок негативних зарядів. Порушення (3) по Бернштейну зводиться до зникнення різниці потенціалів, що викликається тим, що розмір часу збільшується, аніони виходять назовні і вирівнюють іонний баланс: кількість позитивних іонів стає рівною кількості негативних. Робота лауреатів Нобелівської премії 1963 року А. Ходжкпна, Е. Хакслі та Д. Екклса змінила наші колишні уявлення. Доведено, що у нервовому збудженні беруть участь також позитивні іони натрію (Na+), негативні нони хлору (Сl –) та негативно заряджені молекули-переносники. Спокій стан (3) утворюється в принципі так само, як і вважалося раніше: надлишок позитивних іонів - зовні нервового волокна, надлишок негативних - усередині. Проте встановлено, що з порушення (4) відбувається не вирівнювання зарядів, а перезарядка: зовні утворюється надлишок негативних іонів, а всередині - надлишок позитивних. Пояснюється це тим, що при збудженні молекули-переносники починають перевозити крізь стінку позитивні іони натрію. Таким чином, нервовий імпульс (5) - це переміщається вздовж волокна перезарядження подвійного електричного шару. А від клітини до клітини збудження передається своєрідним хімічним «тараном» (6) – молекулою ацетилхоліну, що допомагає іонам прориватися крізь стінку сусіднього нервового волокна.