Электричество и нейрофизиология

РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ

МОСКВА 2009

Развитие современных представлений о процессах, происходящих в нервных структурах, в очень большой степени зависело от технических усовершенствований электрических и электронных приборов. Если вернуться к XVIII веку, то можно увидеть, что даже в ранний период изучения электричества знания о нем были тесно связаны с исследованиями на нервах и мышцах. Задолго до того, как были сформулированы законы Ома и Фарадея, еще до изобретения гальванометра и других чувствительных регистрирующих приборов, Луиджи Гальвани открыл форму электрического разряда, которую он связывал с генерированием электрических токов живой нервной и мышечной тканью. Вскоре против этой интерпретации выступил Алессандро Вольта, который показал, что электродвижущая сила в большинстве опытов Гальвани возникала в точках соприкосновения тканей с металлами. Знаменитый диспут между Гальвани и Вольта послужил стимулом, породившим -- как в области физики и физической химии, так и в физиологии -- целый поток экспериментов и идей, который с тех пор непрерывно продолжал расти и развиваться.

На протяжении многих лет сокращение, наблюдаемое при пропускании кратковременного электрического тока через изолированный нервно-мышечный аппарат лягушки, служило самым чувствительным индикатором для обнаружения коротких электрических импульсов. В середине XIX века Маттеуччи и Дюбуа-Реймон с помощью довольно инерционных, но чувствительных гальванометров установили, что нервы и мышцы способны сами по себе генерировать электродвижущие силы. Например, если раздавить один участок нерва или мышцы, то поврежденная область становится электроотрицательной по отношению к неповрежденным частям и соединенный с тканью гальванометр регистрирует электрический ток. Дюбуа-Реймон показал также, что реакция мышцы на раздражение ее нерва серией элект рических ударов сопровождается кратковременным электрическим изменением в мышечной ткани, которое всегда состоит в уменьшении «тока повреждения». Применявшиеся в то время методы регистрации были слишком медленными для выявления истинной временной картины тех коротких электрических импульсов, которые связаны с активностью нервных и мышечных волокон. Дюбуа-Реймону и позже Л. Герману и И. Бернштейну с помощью различных остроумных приемов удалось выяснить, что электрическая активность клеток проявляется в форме коротких разрядов, каждый из которых длится всего несколько тысячных долей секунды. Однако точные и прямые измерения физиологи смогли произвести лишь тогда, когда были изобретены электронно-лучевая трубка, или осциллоскоп, и термоионный усилитель. Электронно-лучевая трубка представляет собой прибор, способный точно регистрировать мгновенные изменения потенциала, но она обладает очень малой чувствительностью, и для заметного отклонения быстро перемещающегося электронного луча требуется довольно большое напряжение. Поэтому слабый сигнал, отводимый от ткани, должен пройти несколько ступеней, или каскадов, усиления, прежде чем его можно будет зарегистрировать в виде существенного отклонения на экране осциллоскопа.

Электронно-лучевая трубка. Катод 1 испускает электроны. Управляющая сетка, или «регулятор яркости», 2 контролирует величину потока электронов. Главный анод, или «электронная пушка», 3 ускоряет электроны. Фокусирующий анод 4 создает узкий электронный луч. Пара пластин горизонтального отклонения 5 осуществляет развертку во времени. Пара пластин вертикального отклонения 6 получает нервный сигнал от усилителя. 7 -- флуоресцирующий экран.

Соединяя ткань с усилителем и осциллоскопом, экспериментатор иногда непреднамеренно вносит искусственные временные задержки, искажающие и замедляющие сигнал, и в результате теряет многие из преимуществ, которые должен был дать ему регистрирующий прибор. Это очень важный момент, и, для того чтобы понять его, нам придется рассмотреть несколько элементарных электрических схем.

Предположим, что генерируемый тканью сигнал представляет собой очень быструю «прямоугольную волну» изменения потенциала с амплитудой 1 мв и длительностью 1 мсек. На самом деле живые клетки не вырабатывают сигналов с таким мгновенным подъемом и спадом, но этот простой случай удобен для целей нашего обсуждения. Кроме того, сигналы такого рода легко получать искусственно, например с помощью ключа Морзе или подходящего генератора электронных импульсов. Представим себе, что мы хотим воспроизвести такой сигнал на экране осциллоскопа, дающего отклонение 0,5 мм на 1 в. Если бы мы приложили сигнал непосредственно к паре пластин вертикального отклонения, пятно на экране сдвинулось бы всего на 0,5 мк. Для того чтобы получить достаточное отклонение, скажем на 1 см, нужно усилить сигнал в 20000 раз; этого легко достигнуть, введя между отводящими электродами и электронно-лучевой трубкой несколько каскадов термоионного усиления.

Для обеспечения отсчета времени в электронно-лучевой трубке используются пластины горизонтального отклонения. Если приложить к ним равномерно нарастающее нап ряжение, пятно будет перемещаться горизонтально слева направо с постоянной скоростью. Когда оно достигает крайнего положения, напряжение очень быстро отключается и пятно перескакивает влево. Можно синхронизировать эту «временную развертку» и сигнал таким oUpasora, что последний будет появляться на определенном участке горизонтального пути примерно в центре экрана в виде одиночной волны. На практике ткань подвергают с этой целью раздражению электрическим ударом в определенный момент после начала смещения луча. Перемещая пятно по экрану периодически, скажем 20 раз в 1 сек, и каждый раз возбуждая сигнал в один и тот же момент этого перемещения, мы получаем неподвижную волну. В идеальном случае эта волна должна иметь точно такую же «прямоугольную» форму, как и первоначальный сигнал; иными словами, мгновенный подъем и мгновенный спад импульса должны регистрироваться без искажений. Практически этого не всегда легко достигнуть. Предположим, что ткань, генерирующая сигнал, имеет очень высокое внутреннее сопротивление или что высоким сопротивлением обладает один из отводящих электродов. Допустим далее, что входная лампа усилителя или провода, соединяющие ее с тканью, обладают значительной межэлектродной емкостью, скажем ЮОпикофарад. Это просто означает, что изолирующий материал между входными электродами действует подобно диэлектрику между пластинами конденсатора, т. е. накапливает электрический заряд и обусловливает кратковременный ток смещения при быстром изменении разности потенциалов между электродами. В этом случае резкие скачки в начале и в конце сигнала не будут воспроизведены на экране осциллоскопа. Они будут сглажены, так как входная емкость фактически действует как возникающий на мгновение шунт, пропускающий ток в начале и в конце сигнала, и полное изменение потенциала будет зарегистрировано только тогда, когда этот конденсатор полностью зарядится или снова разрядится. Этот процесс занимает некоторое время;

А и Б -- два типа искажения сигнала. А -- искажение первого типа; оно может быть вызвано избыточным сопротивлением R в нерве или в отводящем электроде в сочетании с паразитной емкостью С между сеткой и катодом. Б -- искажение второго типа, которое может вызываться поляризационной емкостью электрода С, сопряженной с сопротивлением утечки R между сеткой и катодом. В -- каскад катодного повторителя, уменьшающий эффект утечки между входной сеткой и катодом. Входной сигнал AVj вызывает изменение силы тока ДЯ', протекающего через лампу. Это изменение в свою очередь создает выходной сигнал, который практически точно воспроизводит ДV, и таким образом автоматически компенсирует изменение напряжения между сеткой и катодом. Обозначим через V_g разность потенциалов между сеткой и катодом. Тогда ДЙЛ, --ДУ₂ = Д V_g и

Он протекает по экспоненциальной кривой с постоянной времени, равной произведению суммарного сопротивления ткани и электродов на входную «емкость шунта». Произведение 1 омЛ ц или 1 Мом-1 мкф равно 1 сек. Следовательно, в нашем примере постоянная времени равна 20 Мом- 100пф= = 2 мсек; это означает, что наш сигнал будет резко искажен и ослаблен.

Искажений этого типа можно избежать несколькими различными способами. Но сначала необходимо выявить сам факт искажения. Для этого нужно просто надлежащим образом прокалибровать регистрирующую систему -- приложить в качестве входного сигнала импульс напряжения с известной формой и амплитудой волны и сравнить его с волной, появляющейся на экране осциллоскопа. Для устранения искажающего действия входной емкости применяют короткие соединения и специальное входное устройство, называемое катодным повторителем. Он представляет собой термоионную лампу с нагрузочным сопротивлением, расположенным между катодом и источником высокого напряжения. Провод, ведущий к сетке, обычно окружают экраном, также соединенным с катодом. Благодаря этому устройству сигнал передается на следующий каскад без усиления, но и без существенного искажения. Это достигается в результате того, что при каждом появлении сигнала на сетке лампы потенциал катода изменяется синхронно почти на ту же величину, т. е. «повторяет» потенциал сетки.

Рассматривая технические вопросы, уместно будет несколько подробнее рассказать об усилителях, стимуляторах и электродах.

Если бы нужно было регистрировать только короткие электрические импульсы, возникающие в нервных и мышечных клетках, то было бы достаточно применять усилитель с переходными емкостями, в котором источник высокого напряжения каждого каскада изолирован от входа следующего каскада с помощью конденсаторов, включенных между анодом одной усилительной лампы и сеткой следующей лампы. Такая емкостная связь упрощает конструкцию усилителя и его блока питания, но ограничивает возможности экспериментатора, не позволяя ему регистрировать медленные изменения потенциала и постоянные разности потенциалов между различными участками клеток или тканей. Дело, разумеется, в том, что переходные емкости не только блокируют нежелательную передачу постоянных высоких напряжений, создаваемых источниками питания, от одной лампы к другой, но и исключают также передачу постоянных или медленно изменяющихся разностей потенциалов с одного каскада усиления на следующий. Для того чтобы регистрировать такого рода медленные или стационарные электрические явления, приходится применять усилитель постоянного тока, в котором рабочие напряжения, подводимые к различным каскадам, должны быть тщательно рассчитаны и сбалансированы, так как все они влияют друг на друга. Усилитель постоянного тока надлежащей конструкции позволяет без искажений регистрировать все изменения потенциалов, с которыми можно встретиться при исследовании нервных или мышечных клеток; он охватывает диапазон частот синусоидальных колебаний от «нуля» примерно до 20000 гц.

Здесь опять-таки необходимо применять надлежащие входные соединения и калибровать их, так как в противном случае преимущества хорошего усилителя постоянного тока легко могут быть утеряны. Если требуется регистрировать постоянные разности потенциалов, важно использовать так называемые неполяризующиеся электроды. Важно также выбрать такую входную лампу, у которой сопротивление между сеткой и катодом было бы практически бесконечно большим; это позволяет усиливать и регистрировать разности потенциалов, не вызывая в ткани электрического тока.

При использовании неизолированных, поляризующихся металлических электродов и входной лампы с небольшой утечкой между сеткой и катодом любая разность потенциалов в ткани порождает ток, проходящий через отводящие электроды и сопротивление утечки. Это приводит к поляризации в месте соприкосновения металлических электродов с тканевой жидкостью, и вскоре эти поляризующиеся контакты заряжаются и становятся источником противоположно направленной электродвижущей силы, блокирующей дальнейшую передачу постоянных или медленно изменяющихся тканевых потенциалов. Поляризация по существу эквивалентна своего рода емкостной связи в месте соприкосновения металла с электролитом и может, таким образом, свести на нет то преимущество, которое дает специально сконструированный усилитель постоянного тока. «Емкостный эффект» возникает из-за нарушения непрерывности между двумя видами носителей электрического тока -- электронами в металле и ионами в растворе электролита. Место соединения действует как изолирующий барьер, где накапливаются электрические заряды, постепенно создающие противоположно направленную э. д. с.

Следует отметить, что такого рода емкостное искажение и блокирование медленных сигналов противоположно рассмотренному выше емкостному шунтированию быстрых сигналов. Различие между этими явлениями легче всего понять с помощью схем. В предыдущем случае невидимая паразитная емкость шунтировала входную цепь, в результате чего быстрые изменения потенциала «обходили» усилитель. В случае Б, который мы рассматриваем сейчас, помехой служит другая невидимая емкость, на этот раз включенная последовательно со входом усилителя; она пропускает быстрые сигналы, но противодействует передаче медленных изменений потенциала и постоянных разностей потенциалов. Этот эффект зависит от скорости зарядки поверхностной емкости металлических электродов, или, другими словами, от количества электричества, протекающего через электроды. Это количество в свою очередь зависит от сопротивления утечки между сеткой и катодом входной лампы; произведение RC определяет временной ход процесса накопления заряда и, следовательно, момент времени, в который передача равномерного изменения потенциала будет практически блокирована. Предположим, что С = 1 мкф и R очень велико; в этом случае заметной поляризации происходить не будет и даже очень медленные изменения потенциалов, продолжающиеся много секунд, можно будет регистрировать с помощью обычных проволочных электродов. Но если сопротивление утечки равно 1 Мом, то постоянная времени RC уменьшается до 1 сек и длительные изменения потенциала уже не будут регистрироваться. Существуют и другие причины, затрудняющие использование неизолированных проволочных электродов для отведения медленных или постоянных потенциалов; место соприкосновения металла с жидкостью само по себе создает разность потенциалов, которая обычно довольно неустойчива и изменяется, например, при местных колебаниях парциального давления кислорода.

По всем этим причинам лучше пользоваться обратимыми, или неполяризующимися, электродами, в которых перенос электрического тока через соединение металл/электролит может осуществляться непрерывно с помощью какой-либо обратимой химической реакции.

В случае электрода Ag/AgCl эту реакцию можно написать так:

Или

На поверхность металлического серебра осаждают хлористое серебро AgCl, растворимость которого очень мала. Такое покрытие создает значительный запас ионов Ag⁺ и С1^- и служит промежуточным звеном между электронной проводимостью в металлеи ионным током

Такого рода систему часто называют хлоридным электродом или электродом, обратимым в отношении ионов хлора. Важный конечный результат протекающей в электроде реакции состоит в том, что становится возможным двусторонний поток электрических зарядов -- от электронов в металле к ионам хлора в растворе и в обратном направлении. Поэтому поляризация сравнительно мало задерживает перенос зарядов, и прохождение тока не приводит к возникновению больших, противоположно направленных э. д. с..

Электроды этого типа обладают некоторыми недостатками. В частности, они имеют значительное сопротивление и обычно могут пропускать лишь небольшие токи. Кроме того, во время длительного прохождения тока концентрация ионов хлора около электрода медленно изменяется, и это сопровождается постепенным увеличением небольшой противоположно направленной э.д.с. Однако этот эффект обычно очень невелик, и если не допускать разрушения покрытия из AgCl, то такой электрод можно считать практически не поляризующимся.

Электрическое раздражение

В физиологических экспериментах электроды применяют для двух главных целей -- для регистрации биоэлектрических сигналов и разностей потенциалов и для раздражения нервных и мышечных клеток.

Тот факт, что нервные и мышечные волокна гораздо чувствительнее к электрическим токам и их легче возбуждать электрическими ударами, чем раздражителями иных типов, представляет большой интерес; конечно, он уже был известен таким пионерам этой области исследований, как Гальвани. Значение двух особо важных свойств нерва, а именно его возбудимости под действием электрических токов и способности генерировать токи при возбуждении, было полностью оценено физиологами XIX века. Л. Герман указывал, что ток, возникший в каком-либо возбужденном участке нерва, вероятно, был бы достаточен для возбуждения смежных участков волокна, т. е. для последовательной передачи возбуждения от одной точки к другой.

Много работ было посвящено детальному изучению законов электрического раздражения с целью выяснить, какого рода электрические импульсы наиболее эффективны в качестве раздражителей и каковы характерные различия в электровозбудимости нервных и мышечных волокон разного типа. Позже было показано, что электрическое раздражение вызывает быструю разрядку поверхностной клеточной мембраны и снижение ее потенциала до неустойчивого уровня, при котором происходит возбуждение. Сама клеточная мембрана ведет себя как конденсатор с утечкой, постоянная времени которого определяется его собственными сопротивлением и емкостью. Для того чтобы короткий толчок тока мог изменить потенциал мембраны, через нее должно пройти некоторое минимальное количество электричества. По мере сокращения длительности толчка необходимо увеличивать силу тока, чтобы он сохранял свою эффективность в качестве раздражителя. Примерная кривая соотношений между силой и длительностью тока. Для прямоугольных толчков большой длительности существует некоторая минимальная сила тока, достаточная для возбуждения; более слабый ток неэффективен при любой длительности. Это связано с тем, что мембранная емкость имеет утечку, и необходима какая-то минимальная сила тока, чтобы вызвать нужное смещение трансмембранной разности потенциалов.

Еще одно свойство возбудимых клеток состоит в том, что они рано или поздно «аккомодируются», или «адаптируются», к изменению, вызванному раздражителем. В случае электрического раздражения это значит, что постоянный ток вначале эффективен, но в дальнейшем утрачивает свою действенность. Ток, сила которого возрастает медленно, может остаться «незамеченным» и не вызвать возбуждения, даже если он постепенно достигнет величины, во много раз превышающей ту, при которой прямоугольный импульс уже эффективен.

Кривая, отражающая зависимость между длительностью прямоугольных толчков раздражающего тока и его силой, необходимой для возбуждения нервного импульса. Показаны также площади, соответствующие произведениям «сила тока X время», для трех различных прямоугольных толчков тока

По этой же причине неэффективен синусоидальный переменный ток очень низкой частоты: скорость изменения силы тока при этом слишком мала. Переменный ток очень высокой частоты тоже не вызывает возбуждения, так как его полупериоды слишком коротки для того, чтобы изменить мембранный потенциал. Другими словами, при очень высоких частотах мембранный потенциал не может следовать за приложенным током и смещение потенциала оказывается незначительным. Интересно, что самой эффективной, а потому и самой опасной формой электрического раздражения является воздействие бытового и промышленного переменного тока, т.е. синусоидальных волн с частотой 50--60 гц

В дальнейшем мы будем упоминать об электрическом раздражении без подробного его описания. Обычно это короткие удары или прямоугольные толчки тока длительностью менее 1 мсек, создаваемые с помощью электронных реле, в которых для быстрого включения и выключения тока в нужные моменты времени используются радиолампы или транзисторы. Импульс тока подводится к нерву через два электрода, которые опять-таки могут быть поляризующимися или неполяризующимися. Если нужно воздействовать длительным током постоянной силы, лучше всего применять обратимые электродов и включать последовательно с ними большое сопротивление, чтобы небольшие изменения в сопротивлении электродов, обусловленные остаточной поляризацией, не могли заметно повлиять на силу тока. Для многих целей, однако, можно пользоваться голыми платиновыми проволочками; им даже отдают предпочтение, когда хотят просто воздействовать короткими импульсами, точная форма которых несущественна и которые остаются эффективными, даже если подвергаются значительному искажению в области контакта металл/жидкость.

Для того чтобы ввести в курс дела тех, кто не знаком с основами электрофизиологии, полезно будет описать несколько простых электрофизиологических экспериментов. Вначале мы рассмотрим несложную технику работы с целым нервом, состоящим из многих параллельно идущих волокон, например с изолированным седалищным нервом лягушки.

После этого мы опишем эксперименты на одиночных волокнах. Технически они более трудны, но имеют то большое преимущество, что результаты их легче понять и значительно проще истолковать.

Если отпрепарировать нерв лягушки и поместить его в раствор Рингера, то он останется в этой среде живым в течение многих часов или даже дней; иными словами, он сохранит способность вырабатывать распространяющиеся электрические сигналы, вызывающие сокращение соединенных с ним мышечных волокон и, конечно, доступные регистрации с помощью усилителя и осциллоскопа. Мы вынимаем нерв из раствора и укладываем его на две пары электродов в герметически закрытой влажной камере, в которой на поверхности нерва будет сохраняться, не высыхая, пленка из раствора Рингера. Одна пара электродов соединена с импульсным стимулятором, а другая -- с нашим регистрирующим прибором.

Начнем с нанесения очень слабых электрических ударов -- настолько слабых, что они еще не вызывают возбуждения нервного волокна. Опыт обычно ставится так, чтобы электронный луч проходил по экрану трубки с той же частотой, с которой производится раздражение. Регулируя с помощью электронной схемы промежутки времени между началом горизонтального пробега луча и электрическим ударом, можно добиться того, чтобы последний регистрировался на экране в виде небольшого вертикального отклонения слева всегда на одном и том же месте. Это отклонение называют «артефактом раздражения»: оно ЮЗываётся просто небольшой утечкой тока от стимулятора, улавливаемой усилителем так же, как помехи от разного рода импульсных или искровых генераторов улавливаются телевизионным приемником. Артефакт раздражения, если он не слишком велик, оказывается очень полезным, так как точно отмечает тот момент, когда нерв получает электрический удар. При постепенном увеличении силы тока артефакт также увеличивается, и при достижении определенной пороговой силы появляется электрический сигнал нового типа -- небольшое отклонение-. Это и есть реакция нерва -- импульс, или потенциал действия, который возникает у одного из раздражающих электродов и затем перемещается с конечной скоростью по направлению к отводящим электродам. Задержка обусловлена временем, необходимым для перемещения импульса от места его возникновения до ближайшего отводящего электрода. Импульс представляет собой волну отрицательного сдвига поверхностного потенциала, которая длится одну или несколько миллисекунд; иными словами, когда импульс проходит через определенную точку нерва, его поверхность в этой точке становится на короткое время электроотрицательной по отношению к последующим участкам. Таким образом, сначала ближайший электрод становится отрицательным по отношению к более удаленному, а затем волна доходит до более далекого электрода, который становится электроотрицательным, в то время как в первой точке изменение потенциала уже затухает. В результате этого регистрируется двухфазный потенциал действия. Если создать условия, не позволяющие импульсу доходить до второго электрода, например повредить нерв в промежуточном участке или воздействовать на него парализующим веществом, то можно зарегистрировать просто однофазную волну электроотрицательности, когда импульс проходит мимо первого электрода, после чего он вскоре угасает.

Потенциалы действия, отведенные от целого изолированного нерва.

Сила раздражающего тока последовательно возрастает, начиная с верхней левой записи. В первых двух случаях сила тока ниже порога. В последней записи «двухфазная» волна потенциала действия превратилась в «однофазную» в результате того, что дистальный отводящий электрод был помещен дальше, у мертвого конца нерва.

Дойдя до пороговой точки, мы продолжаем увеличивать силу раздражения и замечаем, что амплитуда потенциала действия быстро достигает максимума, после чего дальнейшее усиление тока уже не производит заметного эффекта. Максимальная амплитуда составляет 15--20 мкв; ее величина сильно варьирует в зависимости от условий регистрации, например от толщины и длины участка нерва между электродами.

После каждого прошедшего импульса нерв остается/на одну или несколько миллисекунд в «рефрактерном» состоянии. В течение первых 1--2 мсек он не способен провести нового импульса, и только через несколько миллисекунд у него восстанавливается способность вырабатывать импульсы нормальной силы. Если во время каждого горизонтального пробега электронного луча производить второй удар через разные интервалы после первого, то можно определить степень восстановления, измеряя амплитуду второго ответа. При очень малых промежутках между ударами появляется только первый импульс; при больших интервалах можно увидеть вторую волну, амплитуда которой вначале невелика,"но затем возрастает по мере удлинения промежутка между двумя волнами. Это очень важная особенность нервных клеток: она означает, что нервы могут передавать в отдаленные участки тела только такие сигналы, которые состоят из серии коротких стандартных импульсов ограниченной частощ. Импульсы как средство передачи информации можно сравнить со стандартными элементами сигнального кода.

На основании простого эксперимента только что описанного типа нелегко сказать, какой вид имеют сигналы отдельных клеток, т. е. одиночных аксонов. Седалищный нерв лягушки содержит тысячи волокон, упакованных в один пучок, а ведь каждое из них представляет собой аксон отдельного сенсорного или двигательного нейрона.

Кривые, иллюстрирующие наличие рефрактерного периода в опыте на целом изолированном нерве. В случае, представленном иа верхней записи, второе раздражение было нанесено в период «абсолютной» рефрактерности, когда ни одно волокно не отвечает на него возбуждением. По мере увеличения интервала между S₁ и S_a все большее число волокон возбуждается вторично

Почему электрический сигнал, регистрируемый отводящими электродами, увеличивается, когда мы увеличиваем силу раздражения? Потому ли, что при этом возбуждается все больше и больше аксонов, каждый из которых дает реакцию типа «все или ничего», когда приложенный электрический удар достигает пороговой для него величины? Или же отдельные волокна по мере усиления стимула реагируют все сильнее и создают более мощные сигналы на всем своем протяжении? Такого рода вопросы много лет оставались без ответа и порождали длительные споры, которые были разрешены только тогда, когда экспериментаторы научились работать с одиночными нейронами.

В настоящее время общеизвестно, что проводимый каждым аксоном импульс является событием типа «все или ничего», происходящим в результате изменения разности потенциалов между двумя сторонами клеточной мембраны, но 50--60 лет назад это было далеко недостоверно. Полезно будет несколько подробнее рассмотреть, почему потенциал действия, отводимый от поверхности пучка нервных волокон, должен изменяться при изменении силы раздражения. Дело в том, что в этом случае мы на самом деле регистрируем не изменение разности потенциалов между поверхностями клеточной мембраны, а понижение потенциала, вызываемое местными токами, протекающими вдоль наружной поверхности активных нервных волокон от покоящихся участков впереди и позади импульса к перемещающемуся активному центру.

Линии тока схематически показаны на рис. Во всех случаях придерживаемся обычного правила, по которому направлением электрического тока условно считают направление от положительного потенциала к отрицательному, т. е. вниз по градиенту потенциала. Это противоположно направлению, в котором движутся электроны в металлическом проводнике или отрицательные ионы в растворе электролита, но совпадает с перемещением положительных ионов вниз по градиенту потенциала. Такое правило установилось очень давно, еще до открытия ионов и электронов, но, поскольку оно до сих пор остается общепринятым в учебниках физики, мы принимаем его и здесь. Таким образом, когда мы говорим, например, о токе, текущем через клеточную мембрану «внутрь», мы имеем в виду просто перемещение положительных зарядов внутрь или отрицательных наружу. Мы не касаемся того, какие ионы переносят заряд или чем обусловлен ток-- переносом ионов через мембрану или просто изменением их количества с обеих сторон мембраны.

Во время прохождения импульса токи действия текут по местным цепям от активного участка вдоль аксона с внутренней стороны мембраны, затем выходят наружу через соседние покоящиеся участки мембраны, направляются обратно по внешней среде и входят внутрь через активную мембрану, в результате чего цепь замыкается. Как видно из приведенной схемы, суммарный продольный ток через каждое поперечное сечение равен нулю, так как в любом месте внутренние токи равны по силе и противоположны по направлению наружным. Но плотность продольного тока и продольная разность потенциалов между двумя точками не обязательно одинаковы внутри и снаружи. Внутренний осевой ток сконцентрирован в узкой трубке аксона, а наружный обычно распределен между интерстициальной жидкостью и неактивными нервными волокнами. Если возбуждены лишь несколько аксонов, то создаваемый ими ток будет растекаться по смежной ткани и плотность наружного тока окажется очень малой.

По существу нас интересует изменение мембранного потенциала отдельного нервного волокна. Но при отведении потенциала от целого нерва мы фактически регистрируем значительно меньшую величину. По закону Ома наружный продольный ток i₀ определяется следующим образом:

где V_a -- потенциал на поверхности,-- наружный градиент потенциала и г₀ -- сопротивление наружной среды на единицу длины.

Знак минус введен в соответствии с нашим условным правилом и означает, что положительным считается направление тока вниз по градиенту потенциала. Аналогичным образом внутренний продольный ток определяется по формуле

Как уже было сказано, i₀ + i_l = 0. Из уравнений и получаем

И

Здесь а и Ь -- постоянные уровни потенциала снаружи и внутри аксона в период покоя, которые нас пока не интересуют. Если игнорировать эти константы, уравнения и дадут нам изменение потенциала, вызываемое продольным током, проходящим внутри аксона и вблизи его наружной поверхности.

Регистрируемый потенциал V'₀ начнет изменяться, как только импульс подойдет к месту расположения ближайшего отводящего электрода и создаст в этом участке продольный ток.

Из уравнений и следует, что изменение мембранного потенциала

9

тогда как регистрируемое изменение наружного потенциала

Таким образом, мы наблюдаем лишь некоторую долю изменения мембранного потенциала, а именно

Точно так же, как при использовании обычного делителя напряжения, мы регистрируем здесь часть потенциала, которая зависит от отношения между сопротивлением наружного шунта г₀ и суммой наружного и внутреннего сопротивлений r₀ + r_t. Следует заметить, что знак изменения наружного потенциала будет отрицательным, т. е. противоположным знаку изменения мембранного потенциала V_t-- V о'

Если мы отводим потенциал от поверхности нервного пучка, содержащего 1000 одинаковых волокон, и импульс в каждом волокне сопровождается одним и тем же изменением величины V_t--V_ol то чем большее число волокон возбуждается одновременно, тем больше будет потенциал, регистрируемый поверхностными электродами. Причина этого состоит в том, что отношениевозрастает по мере того, как все большее количество волокон участвует в создании тока действия, вместо того чтобы служить лишь пассивными наружными шунтами.

Предположим, что к каждому аксону примыкает небольшое количество наружной шунтирующей жидкости, сопротивление которой равно сопротивлению аксоплазмы. Если во всей тысяче аксонов нашего пучка одновременно возникнет импульс, то г₀ будет равно r_t и отношение r₀l{r_o + г_;) составит 0,5, так что мы будем регистрировать половину изменения мембранного потенциала. Если же возбудятся лишь 100 волокон, то убудет в 10 раз больше, чем в первом случае, а г₀ уменьшится в соотношении 1000/1900. Поэтому составит теперь не 0,5, а= = 0,05. Таким образом, регистрируемый потенциал должен быть пропорционален числу возбужденных волокон и, следовательно, будет изменяться при изменении силы раздражения даже в том случае, если ответ каждого отдельного волокна является стандартной реакцией типа «все или ничего».

Это, однако, еще не доказывает, что импульс действительно представляет собой реакцию такого типа. Для того чтобы получить ясные данные по этому вопросу и иметь возможность более точно измерять сдвиги мембранного потенциала, нужен более прямой подход, связанный с использованием одиночных клеток.