Пассивный электротонический потенциал

Изменение мп при действии подпороговых раздражителей

Пассивный электротонический потенциал

При действии подпороговых раздражителейне происходит возбуждения, но это незначит, что возбудимая ткань не реагируетна действие раздражителя. Наблюдаютсяследующие явления: электротоническийпотенциал и локальный ответ.

Они развиваются в результате действияраздражителей разной величины и ихдействие зависит от порога деполяризации.Порог деполяризации– этовеличина, на которую нужно уменьшитьмембранный потенциал, для того чтобывозник потенциал действия.

Электротонический потенциал

При действии слабых раздражителей,величина которых не превышает 50% пороговойвеличины, наблюдается пассивнаяэлектротоническая деполяризация илипассивный электротонический потенциал.При этом деполяризация мембраныотмечается только во время действияраздражителя. Развитие и исчезновениеэлектротонического потенциала происходитпо прямолинейной (экспоненциальной)кривой.

Локальный ответ

Приувеличении силы подпороговых раздраженийот 50 до 99% порога можно наблюдать, чторазвитие деполяризации происходит непрямолинейно, а по S-образнойкривой. Деполяризация продолжаетнарастать после прекращения раздражения,а затем сравнительно медленно исчезает.Этот процесс получил название локальногоответа (рис.8).

Локальныйответ имеет следующие свойства:

  1. возникает при действии подпороговых раздражителей,

  2. находится в градуальной зависимости от силы стимула, то есть не подчиняется закону «все или ничего» и чем больше сила раздражителя, тем больше амплитуда локального ответа,

  3. локализуется в пункте действия раздражителя и практически не способен к распространению, так как затухает,

  4. при нанесении нескольких подпороговых раздражений, интервал между которыми не превышает длительности отдельного локального ответа, происходит суммация и возникает потенциал действия.

Во время развитиялокального ответа изменяется ионнаяпроницаемость мембраны, увеличиваетсяпоток ионов натрия из межклеточнойсреды в цитоплазму и повышаетсявозбудимость клетки.

Изменение возбудимости клетки во время ее возбуждения

При возбуждении свойства возбудимойклетки быстро и сильно меняются. Впервыеэто было замечено Ферворном, который вответ на действие повторного раздражителяне наблюдал возбуждения. При дальнейшемизучении им была установлена зависимостьвозбудимости ткани и представлена ввиде кривой, которая впоследствииназвана кривой возбудимости Ферворна(рис. 10).

Допустим, что возбудимость ткани в покоеравна 100%. Действуем на нерв или мышцу2-мя следующими друг за другомраздражителями. В ответ на первый стимулмышца сокращается, а на второй вообщене реагирует, как бы не увеличивать егосилу.

Это связано с тем, что во времявозбуждения возбудимость ткани падаетдо 0%. Время, в течение которого ткань нереагирует на повторные раздражители,называют абсолютной рефрактерностью.Эта фаза очень короткая: в нервныхволокнах она равна 0,001 сек.

, в скелетныхмышцах – 0,005 сек, в сердце – 0,27 сек., самаяпродолжительная.

[attention type=yellow]

После этой фазы возбудимость постепенноначинает восстанавливаться, постепенноприближаясь к 100%. Этот период называютфазой относительной рефрактерности.

[/attention]

Согласно этому кривая имеет несколькофаз:

1) Кратковременное повышение возбудимостиразвивается сразу поле действия стимулаи совпадает с локальным ответом вначаледеполяризации клеточной мембраны. Онасвязана с постепенным повышениемпроницаемости натриевых каналов.

1) фаза абсолютной рефрактерности– это полная невозбудимость. Возбудимостьклетки резко снижается до 0 . Совпадаетс фазой деполяризации на кривой ПД ивозникает вследствие полного открытиянатриевых каналов, после чего увеличитьнатриевый ток невозможно, а, значит,клетка не будет отвечать на действиедаже сверхпороговых раздражителей.

2) фаза относительной рефрактерности– это период восстановления возбудимостиклетки. В эту фазу действие надпороговыхраздражителей может вызвать возникновениевозбуждения. Она соответствует быстройреполяризации на кривой ПД и возникаетза счет постепенного восстановлениянатриевых каналов при возвращениизаряда клетки к исходной поляризации.

3) фаза экзальтации – возбудимостьповышена на 10-20%. Она характеризуетсятем, что ткань возбуждается при действииподпороговых стимулов.

Эта фаза совпадаетсо следовой деполяризацией, когдасвойства мембраны восстановились, азаряд мембраны еще не достиг своегопервоначального уровня.

Вследствиеэтого клетка деполяризована и мембранныйпотенциал ближе к Екр, поэтомудействие подпороговых раздражителейвызовет ПД.

Рис.10Проявление процесса возбуждения:А-электрографические,ПД; Б – функциональные, изменениевозбудимости; В – электрохимические(К.В. Судаков)

4) фаза субнормальной возбудимости– это снижение возбудимости клетки на10-20%, совпадающее с фазой следовойгиперполяризации. Она связана с избыточнымвыходом ионов натрия из клетки и сувеличением порога деполяризации, таккак мембранный потенциал больше и,соответственно дальше отстоит от Екр.

Источник: https://studfile.net/preview/4665253/page:7/

Микроэлектродный метод измерения мембранного потенциала

Пассивный электротонический потенциал

Микроэлектродные исследования клеток и тканей – классический метод регистрации биоэлектрической активности возбудимых тканей при помощи микроэлектродов, которые погружаются в глубь ткани без ее существенного повреждения.

История

В основе микроэлектродных исследований возбудимых тканей лежит работа G. Ling и R.W. Gerard, которые в 1949 г. использовали микроэлектроды для измерения потенциала покоя мышечных клеток лягушки. Однако подлинный расцвет микроэлектродного метода регистрации биопотенциалов наступил после выхода работ W.L. Nastuk и A.L.

Hodgkin, зарегистрировавших потенциалы действия, и работ P. Fatt и B. Katz, применивших микроэлектроды не только для регистрации биоэлектрических параметров клеток, но и для внутриклеточной поляризации мембран. Еще один вариант использования микроэлектродов был предложен W.L.

Nastuk, который апплицировал ацетилхолин на концевую пластинку мышечной клетки, тем самым вызывая ее возбуждение.

Реализация в России

Микроэлектродный метод регистрации биопотенциалов еще 25 лет назад использовали в большинстве лабораторий нашей страны и изучали в рамках студенческого практикума во многих университетах на кафедре нормальной физиологии.

Однако с 2000 по 2020 год этот метод в России практически потерян, и лишь в нескольких лабораториях имеются специалисты и установки для его реализации. Микроэлектродный метод регистрации биопотенциалов клеток и их межклеточного взаимодействия в тканях, с одной стороны, достаточно прост.

С другой стороны, он требует определенных теоретических знаний и экспериментальных навыков.

Техника исследования

Различают три основных способа микроэлектродного отведения сигналов:

  1. отведение от группы клеток (фокальное внеклеточное отведение);
  2. отведение от отдельной клетки при расположении кончика микроэлектрода возле нее (единичное внеклеточное отведение);
  3. внутриклеточное отведение

Предложено 3 способа внутриклеточного использования микроэлектродов, которые дошли до настоящих дней в той или иной технической модификации.

  • Во-первых, это внутриклеточная регистрация с помощью микроэлектрода биоэлектрических параметров мембран клеток.
  • Во-вторых, это поляризация через микроэлектрод мембран клеток электрическим током.
  • В-третьих, это подача через микроэлектрод ионов или биологически активных соединений, причем метод подачи веществ на поверхность мембраны клетки мы далее будем называть аппликацией, а метод введения веществ внутрь клетки – ионофорезом.

Рис. 1. Геометрическая конфигурация стеклянного микроэлектрода

1 – цилиндрическая часть; 2 – сужающаяся часть; 3 – колющая часть; 4 – сквозной продольный канал

Для электрофизиологических исследований применяется стеклянный микроэлектрод или микропипетка, форма которой представлена на рис. 1. Такая микропипетка состоит из цилиндрической, сужающейся и колющей части (1, 2, 3 на рис. 1).

В центре микропипетки имеется сквозной продольный канал (4 на рис.1), диаметр которого зависит от параметров стеклянной заготовки.

Стеклянную микропипетку можно назвать микроэлектродом после заполнения ее сквозного продольного канала электролитом и образования контакта (тем или иным способом) электролита с электронно-измерительной схемой.

Более подробно читайте: Patch clamp метод

Электрофизиологические основы регистрации биопотенциалов

Во всех случаях микроэлектродного отведения источником биоэлектрических потенциалов является поверхностная мембрана возбудимой клетки с существующей на ней трансмембранной разностью потенциалов, создаваемой неравномерным распределением положительно и отрицательно заряженных ионов между плазмой клетки и внеклеточной средой. 

Более подробно читайте: Биопотенциалы головного мозга

Два способа регистрации ПД

При внеклеточном отведении наличие разности потенциалов может быть обнаружено только в том случае, когда ее величина в определенном участке клетки будет изменена под действием факторов, меняющих ионную проницаемость мембраны.

При этом появляются кольцевые электрические (ионные) токи между покоящимся и активированным участком клетки. В качестве индифферентного (т.е. относительного) используется электрод большой площади, расположенный на удалении (напр., на поверхности ткани); такой электрод можно рассматривать как имеющий постоянный нулевой потенциал.

Соответственно микроэлектрод, расположенный в области выхода токов из клетки (область «источника» тока, англ. source), будет регистрировать положительный потенциал по отношению к относительному электроду, а микроэлектрод, расположенный в области их входа (области «стока» тока, англ. sink), — отрицательный потенциал.

Чем ближе подведение микроэлектрода к источнику тока, тем больше регистрируемая разность потенциалов. Положение же относительного электрода при условии, что он удален в область, где плотность проходящих токов практически оказывается ничтожной, не сказывается на результатах отведения.

Амплитуда отводимых колебаний будет зависеть не только от количества возбужденных клеток и величины участка, охваченного соответствующим электрическим изменением, но и от расстояния от источника биопотенциалов до кончика микроэлектрода.

При внутриклеточном отведении источник ЭДС (т.е. поверхностная мембрана клетки) оказывается между микро- и относительным электродом, что приводит к отведению постоянной разности потенциалов в несколько десятков милливольт.

Скачкообразное появление такой разности является основным критерием проникновения кончика микроэлектрода внутрь клетки.

Появление активной реакции в отводимой клетке регистрируется как изменение постоянной разности потенциалов в сторону ее уменьшения или извращения (явление деполяризации) либо увеличения (гиперполяризация).

Цели применения

Прежде всего необходимо отметить, что микроэлектродный метод регистрации биопотенциалов позволяет:

  • регистрировать разность биопотенциалов между внутренней и наружной средой клетки, т.е. потенциал покоя;
  • регистрировать спонтанно возникающие потенциалы действия (ПД);
  • стимулировать клетку электрическим током различной величины, что дает возможность изучать пассивный электротонический потенциал, локальный ответ и вызванный ПД; также с помощью этого метода возможно стимулировать клетку длительным электрическим током положительной и отрицательной полярности, что позволяет моделировать, например, синаптические влияния;
  • вводить в клетку ионы и некоторые низкомолекулярные соединения;
  • изучать межклеточное электротоническое химическое синаптическое взаимодействие.

Метод можно применять на любых клетках и тканях, однако он наиболее эффективен в отношении нервных клеток, частично применим к миокардиальным клеткам (без учета возможности внутриклеточной стимуляции) и может быть использован для изучения мембранных потенциалов многих других клеток.

Фокальное внеклеточное микроэлектродное отведение находит применение при изучении распространения возбуждения в пределах отдельных мозговых структур. Особенно успешным оно является в случае правильной ориентации соответствующих нейронных структур (напр.

, слоистой), поскольку создаваемые в этом случае отдельными клетками электрические поля суммируются и соответственно усиливаются. Поэтому при фокальном отведении могут быть зарегистрированы даже слабые эффекты, создаваемые синаптическими влияниями.

Особенно широко фокальное отведение используется при исследовании коры больших полушарий головного мозга, позволяя в определенной степени отделить процессы, протекающие в дендритах пирамидальных нейронов (образующих верхние слои серого вещества), от процессов, протекающих в их телах.

В стволе головного мозга и в спинном мозге также имеется относительно правильная ориентация мотонейронов и их аксонов, поэтому фокальное отведение было использовано здесь для установления особенностей распространения процесса возбуждения в различных частях клетки (миелинизированная и немиелинизированная части аксона, сома и отчасти дендриты).

[attention type=red]

Большое значение метод фокального отведения имел при разработке подробных карт распределения потенциалов по определенному сечению мозга в различные моменты времени после поступления в мозг афферентной сигнализации. Такие карты позволяют сделать ряд выводов о распространении процессов возбуждения в пределах данной области мозга.

[/attention]

Единичное внеклеточное микроэлектродное отведение нашло применение при отведении биоэлектрических потенциалов от мышц, некоторых рецепторов (сетчатка глаза) и т. д.

  Внеклеточное отведение активности отдельных нейронов мозга широко производится сейчас от всех его участков как в эксперименте, так и в клинических условиях во время нейрохирургических операций. Основным критерием отведения активности отдельной клетки является при этом регистрация разряда импульсов постоянной амплитуды.

Особенно успешным такое отведение является, естественно, в случае ритмически-активных клеток, что создает удобные условия для сравнения амплитуд последовательных разрядов.

Внеклеточное отведение с успехом используется для исследования механизма процесса конвергенции возбуждающих и тормозящих синаптических влияний, изменений деятельности нейронов в различных физиологических условиях, под действием фармакологических факторов и т. д.

Внеклеточное отведение синаптических потенциалов отдельных клеток значительно менее эффективно, чем отведение импульсной активности, поскольку создаваемые ими электрические поля во много раз слабее полей, создаваемых потенциалами действия.

Кроме того, практически невозможно достоверно подтвердить факт отведения активности от одной клетки, поскольку синаптические потенциалы не подчиняются правилу «все или ничего» и величина их является весьма вариабельной в одном и том же нейроне. Внеклеточное отведение потенциалов отдельных нейронов является пока единственно возможным методом тонкого анализа деятельности нервной системы. При особых методах погружения микроэлектродов возможно достаточно длительное внеклеточное отведение на животных без наркоза при сохраненной высшей нервной деятельности и даже в условиях свободного поведения.

Внутриклеточное отведение — это основной метод изучения внутренних механизмов функционирования возбудимых клеток, в т. ч. ионных механизмов генерации потенциала действия, возбуждающих и тормозящих постсинаптических потенциалов и т. д.

Именно с помощью внутриклеточного микроэлектродного отведения была впервые показана связь постсинаптического торможения с гиперполяризацией постсинаптической мембраны.

Широкое применение внутриклеточное отведение нашло при изучении деятельности рецепторов, в частности при изучении происхождения и функционального значения генераторных потенциалов.

Источник: https://cmi.to/%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4-%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D0%BC%D0%B5/

Читать онлайн Нормальная физиология страница 4. Большая и бесплатная библиотека

Пассивный электротонический потенциал

В 1949–1952 гг. А. Ходжкин, Э. Хаксли, Б. Катц создали со-временную мембранно-ионную теорию, согласно которой мембранный потенциал обусловлен не только концентрацией ионов калия, но и натрия и хлора, а также неодинаковой проницаемостью для этих ионов мембраны клетки.

Цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30 -50 раз больше ионов калия, в 8–10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем внеклеточная жидкость. Проницаемость мембраны для ионов обусловлена ионными каналами, макромолекулами белка, пронизывающими липидный слой.

Одни каналы открыты постоянно, другие (потенциалозависимые) открываются и закрываются в ответ на изменения МП. Потенциалозависимые каналы подразделяются на натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные.

В состоянии физиологического покоя мембрана нервных клеток в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия.

Таким образом, согласно обновленной мембранной теории асимметричное распределение ионов по обе стороны мембраны и связанное с этим создание и поддержание мембранного потенциала обусловлено как избирательной проницаемостью мембраны для различных ионов, так и их концентрацией по обе стороны от мембраны, а более точно величину мембранного потенциала можно рассчитать по формуле.

Поляризация мембраны в покое объясняется наличием открытых калиевых каналов и трансмембранным градиентом концентраций калия, что приводит к выходу части внутриклеточного калия в окружающую клетку среду, т. е. к появлению положительного заряда на наружной поверхности мембраны.

Органические анионы – крупномолекулярные соединения, для которых мембрана клетки непроницаема, создают на внутренней поверхности мембраны отрицательный заряд. Поэтому чем больше разница концентраций калия по обе стороны от мембраны, тем больше его выходит и тем выше значения МП.

[attention type=green]

Переход ионов калия и натрия через мембрану по их концентрационному градиенту в конечном итоге должен был бы привести к выравниванию концентрации этих ионов внутри клетки и в окружающей ее среде.

[/attention]

Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране имеются натрий-калиевые насосы, которые обеспечивают выведение из клетки ионов натрия и введение в нее ионов калия, работая с затратой энергии.

Они принимают и прямое участие в создании МП, так как за единицу времени ионов натрия выводится из клетки больше, чем вводится калия (в соотношении 3:2), что обеспечивает постоянный ток положительных ионов из клетки. То что выведение натрия зависит от наличия метаболической энергии, доказывается тем, что под действием динитрофенола, который блокирует метаболические процессы, выход натрия снижается примерно в 100 раз. Таким образом, возникновение и поддержание мембранного потенциала обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки и работой натрий-калиевого насоса.

Изменения мембранного потенциала. Пороговые и подпороговые раздражители

Если раздражать нейрон через электрод, находящийся в цитоплазме, кратковременными импульсами деполяризующего электрического тока различной величины, то, регистрируя через другой электрод изменения мембранного потенциала, можно наблюдать следующие биоэлектрические реакции: электротонический потенциал, локальный ответ и потенциал действия (рис.1). Если наносятся раздражения, величина которых не превышает 0,5 величины порогового раздражения, то деполяризация мембраны наблюдается только во время действия раздражителя. Это пассивная электротоническая деполяризация (электротонический потенциал). Развитие и исчезновение электротонического потенциала происходит по экспоненте и определяется параметрами раздражающего тока, а также свойствами мембраны (ее сопротивлением и емкостью). Во время развития электротонического потенциала проницаемость мембраны для ионов практически не изменяется.

Локальный ответ.

При увеличении амплитуды подпороговых раздражений от 0,5 до 0,9 пороговой величины развитие деполяризации мембраны происходит не прямолинейно, а по S-образной кривой. Деполяризация продолжает нарастать и после прекращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчезает. Этот процесс получил название локального ответа.

Локальный ответ имеет следующие свойства:

1. возникает при действии подпороговых раздражителей;

2. находится в градуальной зависимости от силы стимула (не подчиняется закону “все или ничего”); локализуется в месте действия раздражителя и не способен к распространению на большие расстояния;

3. может распространяться лишь локально, при этом его амплитуда быстро уменьшается;

4. локальные ответы способны суммироваться, что приводит к увеличению деполяризации мембраны. В период развития локального ответа возрастает поток ионов натрия в клетку, что повышает ее возбудимость.

Локальный ответ является экспериментальным феноменом, однако по перечисленным выше свойствам он близок к таким явлениям, как процесс местного нераспространяющегося возбуждения и возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), который возникает под влиянием деполяризующего действия возбуждающих медиаторов.

Потенциал действия

Потенциал действия (ПД) возникает на мембранах возбудимых клеток под влиянием раздражителя пороговой или сверхпороговой величины, который увеличивает проницаемость мембраны для ионов натрия. Ионы натрия начинают входить внутрь клетки, что приводит к уменьшению величины мембранного потенциала – деполяризации мембраны.

При уменьшении МП до критического уровня деполяризации открываются потенциалозависимые каналы для натрия и проницаемость мембраны для этих ионов увеличивается в 500 раз (превышая проницаемость для ионов калия в 20 раз).

В результате проникновения ионов натрия в цитоплазму и их взаимодействия с анионами разность потенциалов на мембране исчезает, а затем происходит перезарядка клеточной мембраны (инверсия заряда, овершут) – внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной (на 30 – 50 мВ), после чего закрываются натриевые каналы и открываются потенциалозависимые калиевые каналы. В результате выхода калия из клетки начинается процесс восстановления исходного уровня мембранного потенциала покоя – реполяризация мембраны. Если такое повышение проводимости для калия предотвратить введением тетраэтиламмония, который избирательно блокирует калиевые каналы, мембрана реполяризуется гораздо медленнее. Натриевые каналы можно блокировать тетродотоксином и разблокировать последующим введением фермента проназы, который расщепляет белки.

Таким образом, в основе возбуждения (генерации ПД) лежит повышение проводимости мембраны для натрия, вызываемое ее деполяризацией до порогового (критического) уровня.

В потенциале действия различают следующие фазы:

1. Предспайк – процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).

2. Пиковый потенциал, или спайк, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).

3. Отрицательный следовой потенциал – от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).

4. Положительный следовой потенциал – увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

Изменения возбудимости при возбуждении

При развитии потенциала действия происходят фазные изменения возбудимости ткани (рис. 2). Состоянию исходной поляризации мембраны (мембранный потенциал покоя) соответствует нормальный уровень возбудимости. В период предспайка возбудимость ткани повышена.

Эта фаза возбудимости получила название повышенной возбудимости (первичной экзальтации). В это время мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации, поэтому дополнительный стимул, даже если он меньше порогового, может довести мембрану до критического уровня деполяризации.

В период развития спайка (пикового потенциала) идет лавинообразное поступление ионов натрия внутрь клетки, в результате чего происходит перезарядка мембраны и она утрачивает способность отвечать возбуждением на раздражители даже сверхпороговой силы.

[attention type=yellow]

Эта фаза возбудимости получила название абсолютной рефрактерности (абсолютной невозбудимости). Она длится до конца перезарядки мембраны и возникает в связи с тем, что натриевые каналы инактивируются.

[/attention]

После окончания фазы перезарядки мембраны возбудимость ее постепенно восстанавливается до исходного уровня – фаза относительной рефрактерности.

Она продолжается до восстановления заряда мембраны, достигая величины критического уровня деполяризации.

Так как в этот период мембранный потенциал покоя еще не восстановлен, то возбудимость ткани понижена и новое возбуждение может возникнуть только при действии сверхпорогового раздражителя.

Снижение возбудимости в фазу относительной рефрактерности связано с частичной инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых. Периоду отрицательного следового потенциала соответствует повышенный уровень возбудимости (фаза вторичной экзальтации).

Так как мембранный потенциал в эту фазу ближе к критическому уровню деполяризации по сравнению с состоянием покоя (исходной поляризацией), то порог раздражения снижен и новое возбуждение может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы.

Источник: https://mir-knig.com/read_227109-4

Лечимся дома
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: