Нормальная физиология (стоматологический факультет)

В натуральных условиях причиной возникновения потенциала действия (ПД) является местный ток, который возникает между возбужденным и покоящимся участками мембраны. Поэтому электрический ток является адекватным раздражителем для возбудимых тканей.
В процессе возбуждения ткани в ней происходят сдвиги мембранного потенциала, вначале они носят пассивный характер, а затем активный.
Пассивные сдвиги потенциала возникают в ответ на действие любого раздражителя за счет его энергии. В отчетливой форме они лучше всего выявляются при действии полюсов постоянного тока (катода и анода). Пассивные изменения мембранного потенциала развиваются в предпиковом периоде потенциала действия (ПД), т.е. от момента нанесения раздражения до возникновения местного возбуждения.
Рассмотрим пассивные сдвиги мембранного потенциала, возникающие под катодом и анодом. Это явление называется физическим электротоном: соответственно физическим кат- и анэлектротоном.
Как известно, живая ткань является проводником электрического тока второго рода, и в ней электрические силовые линии проходят от анода к катоду. Там, где силовые линии входят в ткань через наружные электроды, формируется положительный заряд, где выходят из ткани – отрицательный. Таким образом, в месте приложения анода на наружной поверхности мембраны увеличивается положительный заряд, происходит как бы дозарядка емкости мембраны. Такое явление называется пассивной гиперполяризацией. В месте приложения катода выходящие силовые линии формируют на наружной поверхности мембраны отрицательный заряд, происходит как бы разрядка емкости мембраны. Такое явление называется пассивной деполяризацией. Объясняются эти явления тем, что мембрана – это «тканевой» конденсатор, наружная и внутренняя её поверхности являются обкладками, а слой липидов – диэлектриком. Но в мембране, в отличие от идеального конденсатора, имеются каналы (неселективные каналы), через которые происходит утечка ионов, и поэтому ее сопротивление не равно бесконечности, а имеет определённое значение. Поэтому мембрану сравнивают с конденсатором, к которому параллельно включено сопротивление, и когда электрический ток проходит через эту цепь (ёмкость и сопротивление), то через сопротивление происходит утечка зарядов. Произведение ёмкости мембраны (С) на её сопротивление (R) называется постоянной времени мембраны, она определяет скорость сдвига мембранного потенциала; чем она меньше, тем быстрее нарастает потенциал. Поскольку изменения мембранного потенциала при действии подпорогового постоянного тока (до 50% от порогового уровня) не связаны с активацией селективных каналов мембраны и изменением их ионной проницаемости, постольку их называют пассивными, или электротоническими.

Электротонические потенциалы:
1) нарастают и исчезают постепенно;
2) способны к суммации;
3) распространяются с декрементом;
4) при увеличении подпорогового тока до 50% от порогового значения возникает активный сдвиг потенциала в виде местного возбуждения.
Действие постоянного тока на возбудимые ткани изучал Пфлюгер (Германия, 1859 г). Он изложил закономерности его действия в виде полярного закона, который имеет три положения.
1. Постоянный ток действует на живую ткань раздражающим образом только в момент замыкания или размыкания цепи.
2. В момент замыкания возбуждение возникает под катодом, а в момент размыкания – под анодом. Под катодом возбудимость и проводимость ткани увеличиваются, а под анодом – уменьшаются; эти явления были названы соответственно физиологическими кат- и анэлектротоном и являются следствием физического электротона. Электротонические изменения постепенно ослабевают по мере удаления от электродов. Между электродами имеется индифферентная точка, в которой электротонические изменения отсутствуют.
3. Катодраздражающее действие постоянного тока сильнее, чем анодраздражающее.
Механизм этих положений стал понятен позже, когда были изучены свойства мембраны и ее каналов.
При замыкании цепи постоянного тока изменяется его градиент (скорость нарастания во времени), т.е. сила тока увеличивается от нуля до величины электродвижущей силы источника постоянного, а при размыкании цепи падает от величины ЭДС источника тока до нуля, и эти изменения электрического стимула во времени и обладают раздражающим действием. По существу, это закон градиента раздражения, который мы рассмотрим позже.
При замыкании цепи постоянного тока под катодом происходит деполяризация мембраны, которая носит пассивный характер электротонического возбуждения, если сила катодраздражающего действия равна 5-50% от пороговой величины. Установлено, что при этом происходит сдвиг исходного уровня МПП (Е₀) в сторону Ек, при этом порог деполяризации (ΔV = Е₀ - Е_к) уменьшается. Эти изменения вызваны усилением входящего потока Na⁺ по каналам утечки, который превышает также увеличенный выходящий ток утечки для К⁺ и Сl^-. Скорость этой деполяризации будет зависеть от постоянной времени мембраны.
Под анодом происходит пассивная гиперполяризация, т.е. увеличивается исходный уровень потенциала (Е₀) и ΔV увеличивается, что приводит к снижению возбудимости и проводимости в этой области. На мембране в это время увеличивается поток К+ наружу по каналам утечки и снижается движение Na⁺ внутрь клетки.
При длительном действии полюсов постоянного происходят противоположные явления, которые, однако, не связаны с изменением Е₀, а связаны с изменением Е_к. Рассмотрим эти явления.

Явление снижения возбудимости нервного волокна при длительной и сильной деполяризации было открыто русским ученым И.Б.Вериго в 1889 г.
При длительном подпороговом действии катода Е_к возрастает настолько, что порог деполяризации становится намного больше исходной величины, одновременно резко падает амплитуда ПД. Это явление с особой лёгкостью возникает в препаратах, альтерированных различными агентами, понижающими амплитуду ПД (KСl, новокаин, механическое повреждение и т.д.). На мембране в это время происходит инактивация натриевых каналов и повышение проводимости мембраны для ионов К⁺ (активация калиевых каналов).
При длительном действии анода снижается Δυ и Е_к приближается к значению Е₀. Теперь оказывается достаточным одного выключения анодного тока, чтобы ПП, быстро восстанавливающийся к исходной величине, достиг Е_к, вызвал появление ПД и тем самым создал условия для возникновения анодразмыкательного возбуждения. На мембране в это время снижается калиевая проводимость и ослабляется исходная натриевая инактивация.
Явления кат- и анэлектротона справедливо рассматривались классиками электрофизиологии как прообраз, модель процессов возбуждения и торможения, разыгрывающихся в условиях естественной деятельности нервной системы. В реальных условиях на принципиально том же механизме, что и катэлектротоническое повышение возбудимости, основаны такие явления, как следовое повышение возбудимости, облегчение проведения возбуждения в синапсе, повышение возбудимости нейрона под влиянием его бомбардировки подпороговыми афферентными импульсами и другие явления, обусловленные подпороговой деполяризацией мембраны. С другой стороны, катодическая депрессия играет роль в механизмах некоторых видов периферического и центрального торможений, основанных на чрезмерной по силе или длительности деполяризации мембраны: это явление пресинаптического торможения в ЦНС, торможение по механизму пессимума Введенского и т.д. Повышение Е_к лежит в основе явлений аккомодации ткани к раздражителю.
Анэлектротоническое понижение возбудимости лежит в основе следового снижения возбудимости после ПД.
Если сила катодраздражающего действия равна 50-95% от порогового значения, то развивается активная реакция в виде местного возбуждения.

Как было указано выше, при увеличении силы раздражителя (более 50% от пороговой величины) пассивная деполяризация мембраны порождает активную реакцию, – к электротоническому потенциалу присоединяется дополнительная активная деполяризация мембраны, называемая местным возбуждением, или локальным ответом. Локальным он называется потому, что и в экспериментах, и в естественных условиях он далеко не распространяется (на 2-3 мм от места возникновения). При местном возбуждении изменения на мембране идут уже за счёт энергии, накопленной мембраной в потенциале покоя, а не за счёт энергии раздражителя.

ПД возникает и распространяется по возбудимой ткани только при снижении МПП до определённого критического уровня деполяризации (КУД) – эта начальная деполяризация называется местным возбуждением или локальным ответом (рис.4). КУД не зависит от характера примененного стимула, расстояния между электродами и т.п., а определяется исключительно свойствами самой мембраны.
Местное возбуждение и распространяющееся (ПД) – это две формы единого возбудительного процесса. Сравнительная характеристика их основных свойств дана в таблице 1.


Механизм локального ответа определяется увеличением натриевой проницаемости мембраны и увеличением ионного тока Na⁺ в клетку (по концентрационному градиенту) и небольшим повышением тока К⁺ из клетки.
При стимуле, равном 50-95% от уровня порога, открывается немного натриевых каналов и начальное увеличение натриевой проницаемости мало, чтобы вызвать быструю регенеративную деполяризацию мембраны, ее развитие тормозится инактивацией натриевых и активацией калиевых каналов. Поэтому рост локального ответа приостанавливается, и затем происходит реполяризация мембраны. При пороговом стимуле – открытие натриевых каналов, приводящее к возникновению входящего внутрь клетки потока ионов Na⁺ увеличивает начальную деполяризацию, что ведет к открыванию новых потенциалзависимых натриевых каналов, т.е. к дальнейшему повышению натриевой проницаемости и, соответственно, входящего натриевого тока, а следовательно, к дальнейшей деполяризации мембраны и т.д. Этот круговой лавинообразный процесс получил название регенеративной (самообновляющейся) деполяризации или цикла Ходжкина (рис.5).

При пороговом раздражении пассивная деполяризация (электротонический потенциал) и локальный ответ суммируются друг с другом, и когда эта сумма достигает критической величины, возникает потенциал действия. В гигантских аксонах кальмара на долю локального ответа при пороговой силе раздражения приходится от 20 до 30% общего сдвига мембранного потенциала.

Посылая тестирующие импульсы в различные фазы ПД, можно установить, что возбудимость ткани не постоянна, а закономерно изменяется в соответствии с фазами ПД (рис. 6).
1. Во время электротонического потенциала и местного возбуждения возбудимость ткани повышается.

2. Во время фазы быстрой деполяризации ткань становится совершенно невозбудимой, эта фаза называется абсолютной (эффективной) рефрактерностью (refraktar, нем. – невосприимчивый). В этой фазе даже супермаксимальные раздражители не способны вызвать генерацию нового ПД. Эта фаза обусловлена невозможностью дополнительной активации натриевых каналов и увеличением проницаемости калиевых каналов.
3. После абсолютной невозбудимости происходит постепенное восстановление возбудимости до исходного уровня – это фаза относительной рефрактерности. Она соответствует быстрой реполяризации мембраны, в это время происходит восстановление исходного состояния натриевых каналов, поток Na⁺ в клетку уменьшается, а поток К⁺ из клетки увеличивается. В это время можно вызвать генерацию нового ПД, но для этого должен быть надпороговый раздражитель.
4. Во время отрицательного следового потенциала возбудимость повышается – это называется фазой экзальтации (exaltatio, лат. – возбуждённое, восторженное состояние), или супернормальной возбудимости. В это время подпороговые раздражители могут вызвать возбуждение, т.к. пороговый потенциал снижен, поскольку потенциал покоя ближе к критическому уровню деполяризации, чем в состоянии покоя.
5. В тканях, где имеется следовая гиперполяризация, ей соответствует фаза субнормальной возбудимости (сниженной возбудимости), за счёт удаления потенциала покоя от критического уровня деполяризации.

Закон силы.
Под действием пороговых раздражителей суммарная активность целостного образования (мышцы или нервного ствола) градуально зависит от силы раздражителя в определенных пределах. С увеличением силы раздражителя возрастает ответ целостного возбудимого образования. Так, например, на подпороговый раздражитель мышцы сокращения нет, на пороговый раздражитель мышца отвечает минимальным сокращением, на надпороговый – сокращение сильнее, на максимальный раздражитель – максимальное сокращение, на супермаксимальный – сокращение остаётся максимальным. В нервном стволе одни волокна отвечают энергией ПД на раздражитель 35 мВ, другие – 40 мВ, третьи – 45 мВ и т.д. В связи с эти амплитуда ПД всего нерва в определенном диапазоне значений электрического раздражителя градуально зависит от его силы.
Одиночные мышечные или нервные волокна подчиняются этому закону и подчиняются закону «всё или ничего» : на подпороговые раздражители ответная реакция отсутствует («ничего»), однако в ответ на их действие возникает местное возбуждение, которое градуально зависит от силы подпороговых раздражений. На пороговый и надпороговые ПД возникает с одинаковой амплитудой или мышечное волокно и миокард сокращаются с одинаковой силой («всё») (рис.7).
Критика закона «всё или ничего»: как такового «ничего» нет, т.к. в ткани в это время идут градуальные процессы электротонического и местного возбуждения. «Всё» также для данной ткани непостоянно, например, для миокарда «всё» меняется в зависимости от растяжения мышцы, температуры перфузирующего раствора, давления в аорте и т.д. Сам Боудич показал относительность своего закона (на примере миокарда), изменив условия его раздражения. Если раздражать полоску миокарда относительно частыми (чаще естественного ритма) пороговыми импульсами, то она в начальный период отвечает на раздражение по закону лестницы (лестницы Боудича).

Или, например, если нервное волокно обработать местными анестетиками (новокаин, кокаин), ядами, наркотиками, которые ослабляют входящий поток ионов Na+ в клетку, то амплитуда ПД начнёт зависеть от силы раздражителя, т.е. перестанет подчиняться закону «всё или ничего».

Закон времени.
Этот закон был изучен при исследовании мышц, нервов Гоорвегом (Голландия, 1892), Вейсом (Германия, 1901) и Лапиком (Франция, 1909).
Закон устанавливает зависимость между силой раздражителя и временем его действия: «Пороговая сила любого раздражителя обратно пропорциональна длительности его действия в определенных пределах». То есть, чем меньше по времени действует раздражитель, тем больше требуется его сила для формирования возбуждения (рис. 8).

Из кривой видно, что раздражитель ниже какой-то минимальной силы не вызывает возбуждения, как бы долго он ни действовал. Математически это выражается формулой:

где I – сила тока;
t – время действия тока;
a и b – постоянные величины.

Минимальная сила тока, которая способна вызвать возбуждение (порог раздражения) была названа Лапиком реобазой. Наименьшее время, которое должна действовать реобаза, чтобы вызвать возбуждение, называется главным полезным временем. Если ток действует дольше этого полезного времени, это не имеет значения (бесполезно) для возникновения ПД. При укорочении времени действия тока (меньше полезного времени) для получения ПД необходимо увеличивать силу тока. При очень коротких стимулах восходящая часть гиперболы становится параллельной оси ординат, это означает, что при очень коротких раздражающих стимулах ПД не возникает, как бы ни была велика сила тока. Это явление используется в физиотерапии, при лечении больных токами УВЧ (ультравысокой частоты), для глубокого прогревания тканей.
Точное определение главного полезного времени практически трудно, т.к. величина реобазы непрерывно претерпевает колебания, связанные с колебаниями функционального состояния мембраны в покое, и точка перехода может смещаться влево или вправо, поэтому Лапик предложил измерять условную величину в качестве константы времени раздражения и назвал её «хронаксия». Хронаксия – это дополнительное полезное время – время, которое должен действовать ток, равный по величине удвоенной реобазе, чтобы вызвать возбуждение.
В неврологической практике проводят хронаксиметрию, чтобы установить поражение двигательных нервов. Если нерв повреждён или погибли мотонейроны спинного мозга (полиомиелит), то нервные волокна перерождаются и раздражающий стимул выявляет увеличение реобазы и хронаксии.

Закон градиента.
Для того чтобы раздражитель вызвал генерацию ПД, его сила должна нарастать достаточно быстро. При какой-то минимальной крутизне нарастания интенсивности раздражения (минимальный градиент) ответы на это раздражение исчезают, т.к. в ткани развивается процесс аккомодации (accomodation, англ. – приспособление). Величина минимального градиента, выраженного в единицах реобаза в секунду (МА), является показателем скорости аккомодации. Чем круче должен нарастать ток, чтобы вызвать возбуждение, тем выше скорость аккомодации.
В основе механизма аккомодации лежат инактивация Na⁺-каналов и повышение калиевой проводимости, развивающиеся при «вкрадывающемся» в ткань токе.

Параметры возбудимости ткани.
Для оценки степени возбудимости тканей используют следующие критерии:
1) порог раздражения;
2) хронаксия;
3) уровень лабильности (максимальное количество импульсов, которое может воспроизвести ткань без трансформации ритма);
4) скорость аккомодации.