Антонов В.Ф. Практикум по биофизике

Подождите немного. Документ загружается.

Теоретические

сведения

Потенциалом действия (ПД) называется электрический им-

цульс, обусловленный изменением ионной проницаемости

мембраны и связанный с распространением по нервам и мыш-

цам волны возбуждения.

То,

что нервный импульс представляет собой импульс элек-

трического тока, доказано лишь к середине XX века, в основ-

ном,

работах

английского физиолога А. Ходжкина и его со-

трудников. В 1963

году

Ходжкину, Хаксли и Иклсу была при-

суждена

Нобелевская премия по медицине "за оперирование

нервных клеток".

Опыты по исследованию потенциала действия проведены (в

основном Ходжкиным и его сотрудниками) на гигантских ак-

сонах кальмара методом микроэлектродов с использованием

высокоомных измерителей напряжения, а также методом ме-

ченых атомов. На рис. 1 показаны

схема

опытов и

результаты

исследований.

Использовали два микроэлектрода, введенных в аксон. На

первый микроэлектрод подается импульс с амплитудой V от

генератора Г прямоугольных импульсов, меняющий мембран-

ный

потенциал. Мембранный потенциал измеряется при помо-

щи

второго микроэлектрода высокоомным регистратором на-

пряжения

Р (рис. 1а).

Упор

Vtlt-I"

Рис.

1. Исследование потенциала действия: а — схема опыта (Г — генератор

импульсов,

Р — регистратор напряжения); б — потенциал действия

(Ф„

— потенциал

покоя,

срР

ев

— потенциал

реверсии,

фД — амплитуда по-

тенциала действия, ф™

— пороговый потенциал)

Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время

смещение мембранного потенциала, которое быстро пропадает и

восстанавливается потенциал покоя, в том случае, когда возбуж-

дающий импульс отрицательный — приводит к изменению мем-

бранного потенциала еще дальше в отрицательную сторону, то

есть возбуждающий импульс гиперполяризующий. Также не

формируется потенциал действия, когда возбуждающий импульс

положительный (деполяризующий), но его амплитуда меньше

порогового значения Vnop. Однако, если амплитуда положитель-

ного деполяризующего импульса окажется больше значения

Vnop, ф

становится больше Фм°

р и в

мембране развивается про-

цесс,

результате

которого происходит резкое повышение мемб-

ранного

потенциала и мембранный потенциал ф

даже

меняет

свой знак — становится положительным

(ф

вн

Рнар)'

(Р

ис

- 16).

Достигнув некоторого положительного значения ф^

ев

— по-

тенциала реверсии, мембранный потенциал возвращается к

значению потенциала покоя ф^, совершив около этого значе-

ния

нечто вроде

затухающего

колебания. В нервных волокнах

скелетных мышцах длительность потенциала действия око-

ло 1 мс (а в сердечной мышце около 300 мс). После снятия воз-

буждения еще в течение 1—3 мс в мембране наблюдаются не-

которые остаточные явления, во время которых мембрана ре-

фрактерна

(невозбудима).

Новый

деполяризующий потенциал V >

°P

может вы-

звать образование нового потенциала действия только после

полного возвращения мембраны в состояние покоя. Причем

амплитуда потенциала действия

не

зависит от амплитуды деполяризующего потенциала, если

только V > V

P. Если в покое мембрана поляризована: потен-

циал

цитоплазмы отрицателен по отношению к внеклеточной

среде, то при возбуждении происходит деполяризация мембра-

ны

— потенциал внутри клетки положителен и после снятия

возбуждения происходит реполяризация (восстановление по-

ляризации)

мембраны.

Характерные свойства потенциала действия:

1) наличие порогового значения деполяризующего потен-

циала;

2) закон "все или ничего", то есть если деполяризующий по-

тенциал больше порогового, развивается потенциал действия,

амплитуда которого не зависит от амплитуды

возбуждающего

импульса и нет потенциала действия, если амплитуда деполя-

ризующего потенциала меньше пороговой;

3) есть период рефрактерности (невозбудимости мембраны)

во время развития потенциала действия и остаточных явлений

после снятия возбуждения;

4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление

мембраны (у аксона кальмара от 0,1 Ом • м^ в покое до

0,0025

Ом • м^ при возбуждении).

Если

обратиться к данным для значений равновесных нерн-

стовских потенциалов, созданных различными ионами, есте-

ственно предположить, что положительный потенциал ревер-

сии

имеет натриевую природу, поскольку именно диффузия

натрия

создает положительную разность потенциалов

между

внутренней и наружной поверхностями мембраны.

Можно

менять

амплитуду

импульса потенциала действия,

изменяя

концентрацию натрия в наружной среде. При умень-

шении

наружной концентрации натрия амплитуда потенциа-

ла действия уменьшается, так как меняется потенциал ревер-

сии.

Если из окружающей клетку среды полностью

удалить

натрий,

потенциал действия вообще не возникает.

Опыты, проведенные с радиоактивным изотопом натрия,

позволили установить, что при возбуждении проницаемость

для натрия резко возрастает. Если в состоянии покоя соотно-

шение

коэффициентов проницаемости мембраны аксона каль-

мара для разных ионов:

: ?Na

С1 = !

°>°

0,45,

то в состоянии возбуждения:

Рк

: ?Na : Р

1 = 1 : 20 : 0,45,

то есть по сравнению с невозбужденным состоянием при воз-

буждении коэффициент проницаемости для натрия возрастает

500 раз.

Расчеты по уравнению Гольдмана, если в него подставить

значения

проницаемостей мембраны для возбужденного состо-

яния,

совпадают с экспериментальными данными.

Возбуждение

мембраны описывается уравнениями Ходжки-

на—Хаксли. Одно из уравнений Ходжкина—Хаксли имеет вид:

dcp

— Г 4- УТ-

где 1

— ток через мембрану, С

— емкость мембраны, ГЛ^ —

сумма

ионных токов через мембрану.

Электрический ток через мембрану складывается из ион-

ных токов: ионов калия — 1к

ИЯ

— ^Na"

ДРУ

ГИХ

ионов,

том числе С1~, так называемого тока утечки 1

ут

, а также ем-

костного тока. Емкостной ток обусловлен перезарядкой кон-

денсатора, который представляет собой мембрана, перетекани-

ем зарядов с одной ее поверхности на

другую.

Его величина оп-

ределяется количеством заряда, перетекающего с одной об-

кладки

на

другую

за единицу времени dq/dt, а поскольку за-

ряд конденсатора:

Аф

= С

то емкостной ток

-'м

Полный

мембранный ток

dm..

наружная среда

внутренняя

среда

Рис.

2. Эквивалентная электрическая схема элемента

возбудимой

мембраны

На

рис. 2 представлена эквивалентная электрическая

схема

элемента возбудимой мембраны.

Каждый ионный ток определяется разностью мембранного

потенциала ф

и равновесного нернстовского потенциала,

создаваемого диффузией ионов данного типа ф{":

= £i(<P

<pf)>

где Si

~R.

— проводимость (величина, обратная сопротивле-

нию элемента мембраны для ионов данного типа).

На

эквивалентной электрической

схеме

элемента мембраны

равновесные потенциалы Нернста моделируются источниками

напряжений

с электродвижущими силами: <р£, ф$

, ф

^, а про-

водимости элемента мембраны для разных ионов

моделируют-

ся

резисторами R^,

Rfsj

Теперь можно записать:

м =

-j^

&к(Фм

- Фкр)

Фут)-

Согласно теории Ходжкина-Хаксли возбуждение элемента

мембраны связано с изменениями проводимости мембраны

для ионов Na

и К

: g

и g

мВ

-20

-40

-60

Потенциал

действия

д.

мСм

см

4мс

Рис.

Изменение

проводимости

мембраны

для

ионов

калия

(д

) и

натрия

(д^

)

во

время

развития

потенциала

действия

(справа

шкала

проводимости

д,

слева

—

потенциала

)

Проводимости мембраны сложным образом зависят от мем-

бранного потенциала и времени (рис. 3).

Установлено, что формирование потенциала действия вы-

зывается ионными потоками через мембрану: сначала ионов

натрия внутрь клетки, а затем — ионов калия из клетки в на-

ружный раствор, что связано с изменением проводимости мем-

браны для ионов калия и натрия.

Распространение нервного импульса вдоль возбудимого во-

локна происходит следующим образом.

Если в каком-нибудь участке возбудимой мембраны сфор-

мировался потенциал действия, мембрана деполяризована,

возбуждение распространяется на

другие

участки мембраны.

Рассмотрим распространение возбуждения на примере переда-

чи нервного импульса по аксону (рис. 4).

_ Na

_ К

+ + + ^+ +

рефрактерность

возбуждение

АКСОН

покои

распространение

нервного

импульса

Рис.

Локальные

токи

при

распространении

нервного

импульса

по

нервному

волокну

в аксоплазме, и в окружающем растворе возникают ло-

кальные токи:

между

участками поверхности мембраны с

большим потенциалом (положительно заряженными) и

участ-

ками

с меньшим потенциалом (отрицательно заряженными).

Локальные токи образуются и внутри аксона, и на наруж-

ной

его поверхности. Локальные электрические токи приводят

повышению потенциала внутренней поверхности невозбуж-

денного участка мембраны ф

вн

и к понижению

нар

— наруж-

ного потенциала невозбужденного участка мембраны, оказав-

шегося по соседству с возбужденной зоной. Таким образом, от-

рицательный потенциал покоя ф^ уменьшается по абсолютной

величине, то есть повышается. В областях, близких к возбуж-

денному

участку,

повышается выше порогового значения.

Под действием изменения мембранного потенциала открыва-

ются натриевые каналы и дальнейшее повышение происходит

уже за счет потока ионов натрия через мембрану.

Происходит деполяризация мембраны, развивается потен-

циал

действия. Затем возбуждение передается дальше на

поко-

ящиеся

участки мембраны.

Может возникнуть вопрос, почему возбуждение распростра-

няется

по аксону не в обе стороны от зоны, до которой дошло воз-

буждение, ведь локальные токи

текут

в обе стороны от возбуж-

денного участка. Дело в том, что возбуждение может распрост-

раняться

только в область мембраны, находящуюся в состоянии

покоя,

то есть в одну сторону от возбужденного участка аксона.

другую

сторону нервный импульс не может распространяться,

так

как области, через которые прошло возбуждение, некоторое

время остаются невозбудимыми — рефрактерными.

Выполнение

работы

Опыт проводится на седалищном нерве лягушки и брюшной

нервной

цепочке земляного червя.

Необходимые приборы и принадлежности:

Осциллограф типа С-1-4 (ЭНО-1) или

С-1-19,

предусилитель

УБП-1,

электростимулятор типа ЭС-1, камера с электродами,

ванночка

для препаровки нерва, ножницы, пинцеты (глазной

анатомический), стеклянные крючки, стаканчик с раство-

ром Рингера, глазная пипетка, глазной скальпель, препаро-

вальные иглы, крупные лягушки (крупные земляные черви),

новокаин,

прокаин. Схема камеры, используемой в этой рабо-

те, показана на рис. 5.

Задание

1. Монтаж схемы.

На

первом этапе выполнения задачи собирается электриче-

ская

схема установки по рис. 5.

Осциллограф включается в режиме "ждущая развертка".

Синхроимпульс, подаваемый от стимулятора, запускает раз-

вертку и таким образом обеспечивает жесткую синхронизацию

момента раздражения нерва с началом развертки

луча

осцил-

лографа. Для измерения временных параметров импульса ис-

пользуют отметчик времени, ручка которого находится на пе-

редней панели осциллографа. Для уменьшения артефакта раз-

дражения

между

отводящими и раздражающими электродами

помещают пластинку, соединенную с землей.

предуси-

литель

объект

отводящие

электроды

осциллограф

синхронизация

электро-

стимулятор

синхро-

импульс

раздражающие

электроды

Рис.

Электрическая

схема

установки

для

измерения

тока

короткого

замыка-

ния

коже

лягушки

Амплитуда

нервного импульса, регистрируемая внешними

электродами, мала и усиление самого осциллографа, как пра-

вило,

недостаточно. Поэтому в

схеме

предусмотрен предусили-

тель, роль которого может выполнять усилитель биопотенциа-

лов УБП-1 или самодельный предусилитель с коэффициентом

усиления

10—100.

Задание

2. Определение порога возбуждения.

Препарируют нервный ствол лягушки и помещают его на

электроды. Устанавливают минимальную длительность раз-

дражающего импульса и начинают увеличивать его амплиту-

ду. На экране осциллографа наблюдают сначала артефакт раз-

дражения, обусловленного прохождением части тока по по-

верхности нервной цепочки, а затем нервного импульса.

Запи-

сывают значения амплитуды раздражающего импульса (в

вольтах)

и его длительность (в мс). Затем увеличивают дли-

тельность импульса и снова определяют амплитуду раздража-

ющего импульса. По результатам измерений строят график за-

висимости "амплитуда раздражения-длительность" (мс).

Задание

3. Измерение амплитуды и длительности нервного

импульса.

Амплитуда

нервного импульса при внеклеточном отведе-

нии

измеряется в относительных единицах с помощью сетки

на

экране осциллографа или миллиметровой бумаги. При этом

положение ручек усилителя остается постоянным. Для точной

калибровки в мВ можно использовать внутренний генератор

стандартных импульсов.

Следует

зарисовать внешний вид

нервного импульса непосредственно с экрана осциллографа на

кальку и затем вклеить этот рисунок в протокол лабораторной

работы. Наблюдаемая картина показана на рис. 6.

длительность

первой

фазы

артефакт

раздражения

амплитуда

нервного

импульса

период

' \

отметка

времени

Рис.

6. Эквивалентная электрическая схема

кожи

лягушки

Длительность импульса измеряется с помощью отметчика

времени, зарисовывается на кальку и затем вклеивается в про-

токол лабораторной работы.

Задание

4. Измерение скорости проведения нервного им-

пульса.

Поскольку артефакт раздражения достигает отводящих

электродов мгновенно (он движется со скоростью света), то

время от начала артефакта до начала импульса равно време-

ни

движения возбуждения по нерву (см. рис. 6). Это время из-

меряется с помощью отметчика времени. Для определения

скорости проведения нервного импульса необходимо знать

расстояние

между

местом возникновения возбуждения и ме-

стом его регистрации. Приблизительно это расстояние равно

отрезку

между

двумя крайними электродами, один из кото-

рых раздражающий, а

другой

отводящий. Это расстояние из-

меряется с помощью линейки или с помощью миллиметровой

бумаги. Скорость проведения нервного импульса определяет-

ся

по формуле:

где S — расстояние в м; t — время в с; V — скорость в м/с.

Анестезирующие вещества резко замедляют скорость про-

ведения нервного импульса и вызывают в конечном итоге раз-

витие блока проводимости. В опыте можно использовать ка-

кой-либо

из местных анестетиков — новокаин, прокаин и др.

Капли

раствора нанести на поверхность нерва вблизи заземля-

ющей пластинки и затем описать изменения формы и скорости

проведения нервного импульса.

Задание

5. Демонстрация закона "все или ничего".

Нервный

ствол лягушки состоит из большого количества

нервных волокон. Каждое волокно имеет свой порог возбужде-

ния,

поэтому регистрируемый внеклеточно нервный импульс

представляет

сумму

электрических ответов многих волокон. На

таком объекте трудно наблюдать проявление закона "все или ни-

чего", сущность которого наблюдается в регенеративном харак-

тере процесса возбуждения. Внешнее проявление этого закона

состоит в том, что на раздражающий импульс пороговой силы

одиночное нервное волокно отвечает генерацией нервного им-

пульса максимальной амплитуды. Дальнейшее увеличение силы

раздражения не приводит к увеличению амплитуды ответа.

Для наблюдения этого эффекта удобно использовать изоли-

рованную брюшную нервную цепочку земляного червя

Lumbricus terrestris. В составе брюшной цепочки находится все-

го три гигантских нервных волокна диаметром до 100 мк.

Поро-

ги возбуждения у этих гигантских аксонов различны, скорость

проведения импульса в них также различна — максимальная

скорость в медиальном волокне и сравнительно меньшая ско-

рость в латеральных. Таким образом, на экране осциллографа

три нервных импульса можно наблюдать раздельно. Поскольку

одиночное нервное волокно возбуждается по закону "все или ни-

чего", то появление каждого импульса на экране

будет

скачко-

образным и характеризуется максимальной амплитудой.

После

препаровки брюшную нервную цепочку червя укла-

дывают в камеру на электроды, включают раздражение и реги-

стрируют ответ. Измеряют амплитуду импульса, его длитель-

ность,

рассчитывают скорость проведения и зарисовывают

форму импульса с экрана осциллографа.