Передача сигнала по нейрону

В лекции он-лайн курса от самого МГУ в части первой рассматривался нейрон простейшей конструкции: ветвящийся дендрит, тело, аксон с коллатералями. Оговаривалось так же, что сигнал похож на треугольную ступеньку тока: минимум - потенциал покоя в точке ( – 70) мВ, а максимум - в точке 30мВ. Таким образом, потенциал действия имеет амплитуду около 100мВ и  длительность 1-2 мс.  Согласно курсу лекций он распространяется по нейрону в одном направлении: от сомы по мембране аксона. И если дендритов может быть несколько, то аксон всегда один. Однако при этом также говорилось, что ветвления дендрита служат рецепторами, то есть сигнал  передается от также от дендрита к соме.
      В части второй говорится, что стимул вызывает на мембране рецептора открывание каналов для входа в цитоплазму нервной клетки положительно заряженных ионов натрия. В межклеточной среде этих ионов много, а в цитоплазме – мало, такое соотношение обеспечивают специальные белки.
      Так же специальный белок-канал со створкой встроен в мембрану клетки, его сквозное отверстие перекрыто петлей-створкой, она при определенных условиях может открываться, разрешая диффузию ионов. Условия открытия – появление определенных химических веществ, механические и электрические воздействия. Возникает градиент концентрации ионов натрия.  В направлении уменьшения градиента и происходит дрейф ионов, что  приводит к сдвигу внутриклеточного заряда вверх – волне деполяризации, вызывая рецепторный потенциал (РП), а тот, в свою очередь, способен вызвать генерацию потенциала действия (ПД), распространяющегося по аксону далее. Чем сильнее стимул, тем больше РП и чаще ПД, т .е. «количество» сенсорного сигнала кодируется частотой  ПД. Длительность РП, например, палочки в ответ на короткую вспышку света составляет около 50мс.
       Силу, интенсивность действия стимула можно связать с реакцией на него мозга : чем сильнее стимул, тем чаще «бегут» потенциалы действия по проводящему нерву. Чем сильнее стимул, тем больше по амплитуде рецепторный потенциал и на его пике за единицу времени нервная клетка успевает сгенерировать больший потенциал действия. Интенсивность стимула кодируется частотой ПД
  Если обратиться к истории вопроса, то еще во времена Сеченова, в начале 20-го века (1902 г) был открыт факт, что нейроны проводят электричество,  тогда же и появилась теория мембранного потенциала.
    Постулировалось, что на вход нейронов поступает поток ионов, происходит зарядка-перезарядка, и идет это за счет каналов, которые регулируются некими веществами, названными трансмиттерами. В первой модели Л.Лапика (1907 г.) клеточную мембрану нейрона считали неким конденсатором. На ней суммируется некая информация от соседних нейронов, а затем нейрон выдает результирующий сигнал. Позже  открыли разницу потенциалов – нейроны перезаряжаются в момент выхода сигнала, что привело к развитию модели  в электрическом плане.  Введено было понятие «рефрактерный период», т.к. невозможно бесконечное накопление заряда нейроном. Он должен разрядиться, а после стать на какое-то время не чувствительным.
       Однако даже в Википедии - не самом правдивом издании, например, находим такую информацию.
     "Если внутриклеточным электродом раздражать аксон посередине, то потенциал действия будет распространяться в обоих направлениях. Обычно же потенциал действия распространяется по аксону в одном направлении (от тела нейрона к нервным окончаниям), хотя деполяризация мембраны происходит по обе стороны от участка, где в данный момент возник потенциал. Одностороннее проведение потенциала действия обеспечивается свойствами натриевых каналов — после открытия они на некоторое время инактивируются и не могут открыться ни при каких значениях мембранного потенциала (свойство рефрактерности). Поэтому на ближнем к телу клетки участке, где до этого уже «прошел» потенциал действия, он не возникает."
      Следует отметить, что есть исследования [1], в которых модель Л.Лапика, если и не опровергается, то подвергается уточнению.
     На самом деле, синапсов огромное количество и различных: электрические, химические, тормозные, смешанные… Кроме того, сигналы проходят через перехваты Ранвье и  меняются по ходу.  Дело осложняется еще и тем, что уже даже у пиявки существуют нервные клетки с 2-мя аксонами и тем фактом, в самом проведении сигнала никакой информации нет, она - в синаптическом контакте нейронов (химический процесс) [3]
      Но поскольку я занимаюсь энцефалографией, то меня особенно интересует, как трактует современная нейрофизиология электрическую активность мозга. И я не могу признать, что энцефалограмма на самом деле малоинформативна  – по сути, она может достоверно показать только эпилептические проявления.
      Многолетние исследования в области нейрофизиологии привели к выводу,  что в суммарную биоэлектрическую активность мозга (ЭЭГ) могут вносить вклад: постсинаптические возбуждающие и тормозные потенциалы (ВПСП, ТПСП), и распространяющиеся потенциалы действия (ПД).
По нынешним представлениям ВПСП и ТПСП возникают либо в дендритах, либо на теле нейрона, а. ПД генерируются в зоне аксонного «холмика» и далее распространяются по аксону
      Обычная спонтанная ЭЭГ - ее основные ритмы возникают в результате пространственной и временной суммации постсинаптических потенциалов (ПСП) большого количества корковых нейронов. Временные характеристики процесса суммации достаточно медленны по сравнению с длительностью ПД.
       Определенная степень синхронизации  предположительно задается различными подкорковыми структурами, которые выполняют  роль «водителя ритма» или пейсмекера. Среди них наиболее значимую роль в генерации ритмов ЭЭГ играет таламус.
        Считается, что потенциалы действия корковых нейронов не играют существенной роли в генерации основных ритмов ЭЭГ, поскольку являются очень короткими. Определяющая роль ПД в формировании паттернов ЭЭГ возникает в ситуациях, когда значительное количество нейронов синхронизируется и одновременно выдает пачки или «вспышки» ПД. Такой режим характерен для пароксизмальных событий, например, для эпилептических приступов и тогда морфология волн ЭЭГ в существенной степени определяется потенциалами действия. При этом острые компоненты ЭЭГ (спайки, острые волны) отражают не отдельные ПД, а скорее всю «пачку» потенциалов действия. Именно таким образом формируются многие эпилептиформные паттерны ЭЭГ, наиболее известным из которых является комплекс спайк-волна. Подобная модель применима сейчас также в объяснении генеза физиологических острых компонентов ЭЭГ.
***************************
        В генерации ЭЭГ принимают участие и постсинаптические потенциалы и потенциалы действия. Основная ритмика ЭЭГ определяется градуальными (т.е. наращивающими свою амплитуду постепенно) изменениями постсинаптических потенциалов благодаря пространственной и временной суммации отдельных ПСП в больших популяциях нейронов, которые относительно синхронизированы и находятся под воздействием подкоркового водителя ритма. Пароксизмальные же события, синхронизирующие значительное количество нейронов, которые продуцируют вспышки потенциалов действия, отвечают за формирование многих эпилептиформных феноменов ЭЭГ, в частности комплексов спайк-волна.
     В различных разделах физиологии для локальных процессов на мембранах клеток употребляются свои термины, которые отражают суть физиологических процессов в данной области физиологических знаний:
 электротонический потенциал,
 возбуждающий постсинаптический потенциал,
рецепторный потенциал,
тормозный постсинаптический потенциал
генераторный
и миниатюрный потенциал концевой пластинки.
       Явления, которые лежат в основе всех этих локальных процессов, одни и те же - гиперполяризация и деполяризация.  Если мы берем абсолютную величину потенциала без его знака, то деполяризация обозначает уменьшение потенциала, гиперполяризация — увеличение потенциала (т.н. изменения по модулю). 
     Например, в энцефалографии основой для ВПСП считается деполяризация, для ТПСП – гиперполяризация.
     Говоря о физике процесса, надо вспомнить, что электрическая схема мембраны представляет собой  параллельный участок – поверхностный заряженный внешний и заряженный внутренний слой мембраны (резисторы), между которыми – липидный слой (диэлектрик). Т.е. мембрана это и активное сопротивление и конденсатор.
      Для изучения физических закономерностей, связанных с сопротивлением и емкостью мембраны подают электрический ток на клетку: через один электрод пропускают ток, а со второго электрода записывают изменения, происходящие на поверхности мембраны клетки. Прямоугольный импульс тока подается на клетку, а потенциал на мембране не соответствует этой форме. Существует некоторый период нарастания сигнала на мембране до величины подаваемого импульс. Характеристики, динамика нарастания (или снижения) зависят от физических свойств мембраны.
       ПД – очень быстрое изменение мембранного потенциала, которое распространяется во все стороны. Почему он возникает? Точка, с которой начинается ПД – точка критического уровня деполяризации. И для того, чтобы ее достичь происходят местные локальные процесс на мембране. Амплитуда пассивного электротонического потенциала равна амплитуде импульса тока, его вызывающего.
     Интересны физиологические последствия физических свойств мембраны.
Клетки соединены так называемым щелевым контактом (молекулярные основы этого соединения рассматриваются в курсах химии ). Мы можем в первую клетку подавать импульсы тока, регистрировать ответ в первой клетке и регистрировать ответ во второй клетке. Характер импульсации, количество импульсов, которые возникают в клетке 1 и в клетке 2, разделенных щелевым контактом одинаково, хотя раздражающий сигнал подается только на 1 клетку. Поэтому можно было бы предположить, что у второй клетки не должны мы регистрировать никаких изменений. Однако этого не происходит. Электротонические потенциалы, возникающие в одной клетке, благодаря щелевым контактам оказывают влияние на физиологические свойства, на возбудимость мембраны второй клетки, и она реагирует так же, как первая клетка.
       Какие еще процессы связаны с электротоническими потенциалами? Вернемся к изменению мембранного потенциала, к его возникновению и посмотрим, как возникает потенциал действия в зависимости от силы раздражения. В самом начале мембранный потенциал нашей клетки не изменяется, и пороговое значение, то есть точка, при которой возникает потенциал действия, приблизительно равно 50 милливольт. Как может клетка, ее мембранный потенциал, достичь этой величины? На клетку подается физический электротон, то есть некоторый сигнал, внешний по отношению к клетке. Мембрана клетки реагирует, поскольку есть сопротивление, есть конденсатор, постоянная времени ;.
      Но величина сигнала не меняется, то есть она такая же, как подаваемый сигнал. Если мы увеличим  сигнал, то  происходит изменение формы ответа. Если на предыдущих этапах мембранный потенциал растет, но его амплитуда изменяется ровно на столько, на сколько изменяется и амплитуда подаваемого сигнала, то далее  появляется так называемый локальный ответ. То есть амплитуда потенциала на мембране начинает увеличиваться. В физиологии это всегда вопрос — почему и как? Зададим этот вопрос. Почему? Потому что начинают открываться потенциал-зависимые натриевые каналы. Они начинают открываться, ионы натрия начинают входить в клетку, и это является дополнительным стимулом, дополнительным сигналом для того, чтобы происходила деполяризация мембраны. И на последнем этапе, местный входящий локальный ток натрия позволяет достичь уровня деполяризации мембраны, который соответствует порогу этой реакции. В этот момент открываются практически все потенциал-зависимые натриевые каналы, и развивается лавинообразный процесс входов ионов натрия, и развитие того, о чем мы уже говорили, потенциала действия.
        Таким образом, между локальными процессами и потенциалом действия существует неразрывная связь. Потенциал действия вырастает или возникает из тех локальных процессов, которые происходят на плазматической мембране. Данная закономерность еще в более яркой форме представлена на следующем слайде. Я на нем останавливаться не буду подробно, но хотел бы обратить внимание на следующую особенность анализа этого рисунка. Посмотрите: ток, который мы подаем, он обозначен красным цветом, все время постоянный. Но на рисунке, который отражает живые процессы в клетке, начиная с позиции 3, появляется пик, превышающий амплитуду того сигнала, который мы подавали. Это включаются местные физиологические процессы, связанные с открытием потенциал-зависимых натриевых каналов. В заключение я хотел бы еще раз вернуться к роли электротонических потенциалов в клеточных процессах. Они очень многогранны и велики. Давайте вспомним закон Ома. Напряжение прямо пропорционально току и сопротивлению того участка, в котором происходит измерение напряжения. Напряжение — это та необходимая величина потенциала электротонического, которая приводит к возникновению потенциала действия. Мы только что это продемонстрировали при анализе связи локальных процессов и возникновении потенциала действия. Из этого следует несколько очень важных физиологических закономерностей. Например, болевая рецепция. Для того чтобы воспринять болевой сигнал, в нашем организме существуют болевые рецепторы. Большая часть из них — это свободные нервные окончания. Эти свободные нервные окончания должны быть очень тоненькими, потому что входное сопротивление тем больше, чем тоньше нервное волокно. Поэтому для того, чтобы возникло большой величины изменение напряжения, при небольшом воздействии, вызывающем небольшой ток, необходимо большое сопротивление мембраны. Тогда мы почувствуем этот сигнал. Другой пример связан с электротоническим распространением сигнала вдоль нервного волокна. Здесь ситуация прямо противоположная. Долевое сопротивление, то есть вдоль длины нервного волокна, больше у волокон с большим диаметром. Поэтому скорость проведения или механизмы проведения зависят от диаметра волокна. Чем больше диаметр волокна, об этом мы еще будем говорить, тем быстрее происходит распространение сигнала вдоль этого волокна. Кроме этого,  электротонические потенциалы лежат в основе интеграции сигналов на мембране нейрона. Я буду об этом рассказывать. Кроме этого, передача сигнала, электротонические синапсы, в основе работы которых лежат электротонические процессы. Проведение сигнала вдоль нервного волокна, вдоль нервного проводника,  а  также функциональное объединение клеток, в том числе не относящихся к возбудимым тканям, например, функциональный синцитий, кардиомиоциты. Во всех этих процессах электротонические локальные процессы играют очень большую роль.   

Список  литературы:е опровергли столетнюю гипотезу о том, как возбуждаются нейроны
Ученые опровергли столетнюю гипотезу о том, как возбуждаются нейроны
1. Ученые опровергли столетнюю гипотезу о том, как возбуждаются нейроны , 2007 г., Хайтек  https://hightech.fm/2017/12/22/brain-cell
2. Электротонические изменения мембранного потенциала, лекция СПбГУ, курс «Введение в физиологию», https://ru.coursera.org/learn/vvedeniye-fiziologiyu
3. "Происхождение мозга" Савельев С. В., Из-во «Веди», 2005г