Учебнометодическое пособие Физиология возбудимых систем Часть 1 Казань 2012 удк 612. 813
 Скачать 1.19 Mb.
|
|
относительной рефрактерности. Итак, мерой возбудимости можно считать порог раздражения, хотя этот показатель возбудимости ткани относится к характеристике раз- дражителя, а не возбудимой системы. Но для характеристики возбуди- мости тканей важно учитывать не только пороговую силу раздражите- ля, но и время действия раздражителя на ткань. Существует определен- ная зависимость между временем действия раздражителя и его силой. Эта зависимость для электрического тока в графическом выражении (гипербола) получила название кривой «сила-длительность» (рис.3). По имени ее авторов – кривая Гоорвейга-Вейса-Лапика (1892, 1901, 1909). Минимальная величина силы раздражителя, вызывающая возбу- ждение, называется абсолютным порогом силы (отрезок АВ), или реобазой (от греч. rheos - течение, поток и basis - ход, движение; осно- вание). С другой стороны, раздражитель должен действовать не меньше определенного времени. Уменьшение времени действия раздражителя ниже критического значения приводит к тому, что раздражитель любой интенсивности не оказывает эффекта (высокочастотный переменный ток >10 кГц дает только тепловой эффект при коротком времени дей- ствия). Минимальная величина времени действия раздражителя, вызы- вающая возбуждение, называется абсолютным времени действия раз- дражителя, порогом времени (отрезок АС). С учетом действия двух параметров раздражителя для характеристики возбудимости ткани вве- ли понятие полезного времени. Полезное время - это минимальное время, в течение которого должен действовать раздражитель пороговой силы с тем, чтобы вызвать возбуждение (отрезок АD). 23 Рисунок 3. Кривая зависимости между временем действия раздражителя и его силой. Приближение кривой асимптотически к линии, параллельной аб- сциссе, не позволяет достаточно точно определять полезное время, т.к. незначительные отклонения реобазы, отражающие изменения функци- онального состояния биологических мембран в покое, сопровождаются значительными колебаниями времени раздражения. В связи с этим Лапик предложил измерять другую условную величину - хронаксию (от греч. chronos -время и axia - цена, мера). Хронаксия – время (отре- зок АЕ), в течение которого должен действовать раздражитель удвоен- ной реобазы (отрезок АF), чтобы вызвать возбуждение. Использование этого критерия позволяет точно измерить временные характеристики возбудимых структур, поскольку измерение происходит на крутом изгибе гиперболы. Чем меньше хронаксия, тем больше возбудимость. Например, хронаксия нервных волокон ниже, чем мышечных. Хронак- симетрия используется при оценке функционального состояния нервно-мышечной системы у человека (в случае повреждения нерва и его перерождения определяют истинную хронаксию мышцы, которая намного превышает таковую до травмы), в частности челюстно-лице- вой области. Показатели хронаксии и реобазы могут значительно ме- няться при невритах и невралгиях тройничного и лицевого нервов, миозитах мимической и жевательной мускулатуры. Таким образом, ко- личественная оценка физиологических свойств возбудимых биосистем в клинической практике производится опосредованно по характеристи- кам раздражителя. Третьим параметром раздражителя является градиент нарастания силы во времени. Обычно при физиологических методах исследова- ния применяют прямоугольные импульсы. Однако есть экспоненциаль- 24 ные импульсы (например, переменный ток), фронт подъема которых обладает определенной крутизной. Клетки по-разному реагируют на эту крутизну (рис.). Чем меньше крутизна, тем выше критический уро- вень деполяризации (Ек) и меньше амплитуда ПД. В этом и заключает- ся закон градиента нарастания силы во времени. Рисунок 4. Изменение критического уровня деполяризации при медленном нарастании силы раздражителя во времени. При подпороговом минимальном градиенте ПД – нет ответа, при поровом – минимальная амплитуда ПД, при сверхпороговом градиенте (максимальной крутизне при прямоугольном импульсе) – максимальная амплитуда ПД. Понижение возбудимости ткани и амплитуды ПД вплоть до полного его отсутствия при медленно нарастающем стимуле (малой крутизне) называется аккомодацией. В основе аккомодации ле- жат инактивация натриевой и повышение калиевой проводимости, раз- вивающиеся во время медленно нарастающей деполяризации мембра- ны. Раздражитель неизменной величины (например, постоянный ток между моментами включения и выключения) вообще не вызывает воз- буждения. 25 Распространение потенциала действия. В нервной системе пере- дача информации на длинные расстояния возможна благодаря тому, что ПД распространяется вдоль аксона нервной клетки равномерно и без потери амплитуды. При этом в соседних (неактивных) от места возник- новения ПД участках нервного или мышечного волокна возникают ло- кальные выходящие токи, вызывающие перераспределение зарядов на мембране и деполяризацию в этих участках. Как только деполяризация в неактивных участках достигает порогового уровня, в них открывают- ся потенциал-активируемые Na-каналы, ПД возникает по соседству от первоначального места возникновения, и волна возбуждения продвига- ется дальше. Другими словами, проведение ПД связано с его постоян- ным возникновением в соседних участках мембраны. В естественных условиях ПД распространяется по нервным волокнам только в одном направлении: от рецептора по дендриту к телу чувствительного нейро- на и от тела нервной клетки по аксону к другой возбудимой клетке. Это связано с тем, что участки, расположенные сзади от продвигающегося ПД, находятся в состоянии рефрактерности, и локальные токи не способны вызвать в них возбуждение. Скорость проведения ПД зависит от того, насколько быстро и насколько далеко от активного участка происходит деполяризация мембраны до порогового уровня при протекании локальных токов. Это, в свою очередь, зависит от величины входящего тока, генерируемого в активном участке, и кабельных свойств волокна. Величина входящего тока зависит от плотности Na-каналов в мембране, а кабельные свойства - от удельного сопротивления мембраны и аксоплазмы, а также от диаметра волокна. Чем толще нервное волокно, тем на большее расстояние будет распространяться деполяризация от активного участка, и тем больше скорость распространения ПД. В гигантском аксоне кальмара, диаметр которого около 1 мм, скорость распространения равна 25 м/с, тогда как в некоторых нервных волокнах млекопитающих с диаметром меньше 2 мкм скорость не превышает 1-2 м/с. Миелиновая оболочка, образуемая глиальными клетками, увеличивает скорость распространения ПД. Мембрана клетки многократно наматывается на аксон и образует сегмент миелина длиной 1-1.5 мм. Между соседними сегментами миелина имеются короткие безмиелиновые участки мембраны аксона, носящие название перехватов Ранвье. Сегменты миелина обладают изолирующими свойствами, а мембрана нервного волокна под ними практически не имеет проводимости и почти полностью лишена Na-каналов. Области 26 перехватов Ранвье, наоборот, имеют очень высокую плотность Na- каналов. Поэтому локальные токи могут течь только от одного перехвата к другому, что позволяет деполяризовать мембрану на более длительные расстояния, вызывая в соседних перехватах Ранвье ПД. В миелинизированных аксонах млекопитающих с диаметром всего 10-20 мкм скорость распространения равна 70-120 м/с. Такой способ проведения ПД называется сальтаторным проведением и включает «прыжки» ПД через миелиновые сегменты от перехвата к перехвату, что резко ускоряет продвижение ПД по нервным волокнам. Лабильность как одно из общих свойств возбудимых систем Впервые понятие лабильности как функциональной подвижности возбудимых тканей ввел русский физиолог Н.Е. Введенский. На совре- менном этапе развития физиологии лабильность рассматривается как способность биосистемы в течение времени развертывать одиночный процесс возбуждения. Мерой лабильности является максимальное чис- ло возбуждений или ПД, которое способна генерировать возбудимая биосистема за единицу времени в связи с навязанным ритмом возбу- ждения. Лабильность нервного волокна – 1000 имп/с, мышцы – 200 имп/с. Лабильность возбудимых биосистем практически обусловлена длительностью фазы абсолютной рефрактерности. Так, фаза абсолют- ной рефрактерности нервного волокна равна в среднем 1 мс, то есть в 1 секунду при ритмическом раздражении с частотой 1000 Гц нерв может воспроизвести 1000 импульсов. Фаза абсолютной рефрактерности у мышцы – 5 мс, то есть в 1 секунду мышца может воспроизвести 200 возбуждений. Лабильность также является мерой возбудимости. Протекание процесса возбуждения во времени характеризует в воз- будимых тканях и лабильность, и хронаксия. Какой их этих показателей дает более полную характеристику процесса возбуждения? Хронаксия – это время, в течение которого должен действовать ток, силой в 2 рео- базы, чтобы вызвать возбуждение. В таком случае, хронаксия характе- ризует только начальную стадию – возникновение импульса возбужде- ния, а лабильность – протекание всего импульса. Кроме того, хронак- сия связана с одиночным возбуждением, а лабильность – с множеством импульсов возбуждения, взаимодействующих друг с другом. Поэтому лабильность более полно характеризует протекание возбуждения во времени. Итак, общими свойствами возбудимых биосистем являются: 1. Возбудимость 2. Лабильность 27 3. Проводимость При этом мерой возбудимости могут служить: а) Порог раздражения (характеристика раздражителя) б) Хронаксия (характеристика раздражителя) в) Пороговый потенциал (характеристика мембраны) г) Лабильность (характеристика мембраны) Законы проведения возбуждения в нервных волокнах 1. Закон двустороннего проведения - возбуждение, возникающее в одном участке нерва, распространяется в обе стороны от места своего возникновения. В организме возбуждение всегда распространяется по аксону от тела клетки (ортодромно). 2. Закон анатомической и физиологической целостности - воз- буждение может распространяться по нервному волокну только в слу- чае его морфологической и функциональной целостности. Различные факторы, воздействующие на нервное волокно (наркотические веще- ства, охлаждение, перевязка и т. д.) приводят к нарушению физиологи- ческой целостности, т. е. к нарушению механизмов передачи возбужде- ния. Несмотря на сохранение его анатомической целостности, проведе- ние возбуждения в таких условиях нарушается. Н. Е. Введенский обна- ружил, что если участок нерва подвергнуть альтерации (т. е. воздей- ствию повреждающего агента) посредством, например, отравления или повреждения, то лабильность такого участка резко снижается. Восста- новление исходного состояния нервного волокна после каждого потен- циала действия в поврежденном участке происходит медленно. При действии на этот участок частых раздражителей он не в состоянии вос- произвести заданный ритм раздражения, и поэтому проведение им- пульсов блокируется. Такое состояние пониженной лабильности было названо Н. Е. Введенским парабиозом. Явление парабиоза лежит в основе медикаментозного локального обезболивания. Влияние анесте- зирующих веществ также связано с понижением лабильности и нару- шением механизма проведения возбуждения по нервным волокнам. Па- рабиоз - явление обратимое. Если парабиотическое вещество действует недолго, то после прекращения его действия нерв выходит из состояния парабиоза через те же фазы, но в обратной последовательности. Меха- низм развития парабиотического состояния сводится к следующему. При воздействии на нервное волокно парабиотического фактора нару- шается способность мембраны увеличивать натриевую проницаемость в ответ на раздражение. В участке альтерации инактивация натриевых 28 каналов, вызванная повреждающим агентом, суммируется с инактива- цией, вызываемой нервным импульсом, и возбудимость снижается на- столько, что проведение следующего импульса блокируется. 3. Закон изолированного проведения - возбуждение, распростра- няющееся по волокну, входящему в состав нерва, не передается на со- седние нервные волокна. Способность нервного волокна к изолирован- ному проведению возбуждения обусловлена наличием оболочек, а так- же тем, что сопротивление жидкости, заполняющей межволоконные пространства, значительно ниже, чем сопротивления мембраны волок- на. Поэтому ток, выйдя из возбужденного волокна, шунтируется в жид- кости и оказывается слабым для возбуждения соседних волокон. Основная часть тока, возникающего между возбужденным и невозбу- жденным участками нервного волокна, проходит по межклеточным ще- лям, не действуя на рядом расположенные нервные волокна. Изолиро- ванное проведение возбуждения имеет важное значение. Нерв содер- жит большое количество нервных волокон (чувствительных, двигатель- ных, вегетативных), которые иннервируют различные по структуре и функциям эффекторы (клетки, ткани, органы). Если бы возбуждение внутри нерва распространялось с одного нервного волокна на другое, то нормальное функционирование органов было бы невозможно. 4. Закон бездекрементного проведения - амплитуда потенциала действия не изменяется с увеличением расстояния от места его возник- новения. Лабораторная работа № 9 Исследование потенциала действия нервной цепочки дождевого червя Цель работы: зарегистрировать ПД нервной цепочки дождевого червя, определить скорость проведения по нерву и выявить зависи- мость зависимости между временем действия раздражителя и его си- лой. Для работы необходимо: дождевые черви, раствор Рингера для холоднокровных (6 мг натрий хлорид, 0.12 мг калий хлорид, 0.20 мг кальций хлорид, 0.10 мг натрий бикарбонат на литр дист. воды), лед, препаровальный набор, спиртовой раствор 10%, бинокуляр, ванночка для регистрации, преобразователь сигналов BSL MP35, стимулятор BSLSTM, набор проводов и электродов BSLCBL2A или BSLCBL4B. Ход работы: 1. Приготовить раствор Рингера для червей. 29 2. Соедините стимулятор, преобразователь сигналов между собой через канал 1 и с компьютером через USB выход. Подключите к системе ванночку через канал 2, расположив электроды так, как показано на рисунке 5. Рисунок 5. Расположение электродов BSLCBL4B на ванночке. R - регистрирующие электроды: красный (R+), белый (R-). Stim – стимулирующие электроды: красный (+) и черный (-). Ground — индифферентный электрод (черный, подключается совместно со стимулирующим). 3. Включите на компьютере программу BSL Pro. Не калибровать. 4. Преступите к препаровке червя. Червя необходимо помыть, положить в чашку Петри со спиртовым раствором для анестезии на 5- 10 минут. Прикрепить червя спинной стороной к препаровальной доске иголочками. Надрезать червя посередине длиной 6-8 см. С использованием иголочек развернуть червя, вычистить нервную цепочку убрав органы. Аккуратно поместить червя в ванночке, как показано на рисунке 6. 5. Создайте в программе новый файл, назвав его «№ группы, день». Выставите «0» на стимуляторе. 30 Рисунок 6 . Расположение дождевого червя в ванночке. В окне МР35 канал 1 должен отражать стимулятор, канал 2 - регистрацию ПД. В окне стимулятора выбрать частоту стимуляции - 1 Гц, начало стимуляции совпадает с началом записи. 6. Для регистрации скорости проведения по нервной цепочке установите стимулирующий и отводящий электроды на расстоянии 1 см. Стимулируйте нервную цепочку, постепенно повышая амплитуду стимуляции. Запишите пороговое значение. Запишите ПД нервной цепочки червя в ответ на сверхпороговые стимулы с расстояниями между электродами 1 см. Запишите ПД с расстояниями между электродами 2 и 3 см. 7. Проделайте те же действия что в пункте 6, расположив на нервной цепочке червя кусок льда. 8. Для анализа полученной записи необходимо выделить участок от начала стимула до начала ПД как показано на примере. Выберите параметр «delta T» и запишите время в мсек. Рассчитайте скорость проведения ПД по нервной цепочке. 9. Для определения зависимости длительности стимула от его силы установите на стимуляторе силу «0 В», длительность импульса 0.1 мсек, частоту стимуляции 1 Гц. Увеличивайте амплитуду стимуляции до пороговых значений и стабилизации амплитуды ПД. Затем измените длительность импульса до 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1 и 2 мсек и повторите действия. 31 Для анализа выделите минимальные ПД как показано на примере для каждой длительности и выберите параметр «Мах» - максимальная амплитуда, запишите амплитуду ПД в мВ. То же проделайте для определения максимальных величин ПД. Постройте график зависимости амплитуды от длительности стимула. Сделайте выводы. Лабораторная работа № 10. Регистрация потенциала действия от брюшного нервного ганглия мадагаскарского таракана. Для того чтоб вызвать ПД в брюшном ганглии таракана необходимо стимулировать «анальные церки», которые содержат механорецепторы. Даже маленькие отклонения церок при касании или движением воздуха ведут к генерации ПД в брюшном ганглии. Цели работы: 1. Записать ответы брюшного ганглия при стимуляции церок воздухом и прикосновением. 2. Сравнить ответы от церок с правой и левой стороны. 32 Для работы необходимо: декапитированный мадагаскарский таракан, раствор Рингера для насекомых (на литр дистиллированной воды), препаровальный набор, микроманипулятор, пипетка Пастера, преобразователь сигналов BSL MP35, стимулятор BSLSTM, набор проводов и электродов BSLCBL8, ЕL452. Ход работы: 1. Приготовьте раствор Рингера для насекомых (NaCl 0,650 % KCl 0,025 % CaCl2 0,025 % NaHCO3 0,025 %). 2. Соедините компьютер и преобразователь сигналов BSL MP35 между собой через USB. Подключить к системе металлические электроды через канал 1. 3. Включите на компьютере программу BSL Pro. Не калибровать. 4. Преступите к препаровке таракана. Таракана положите в чашку Петри или стакан с эфиром для анестезии на 5-10 минут. Прикрепите спинной стороной к препаровальной доске иголочками. Вскройте таракана, вычистите брюшной узел (рисунок 7). Установите электроды. Рисунок 7. Расположение электродов на брюшном узле мадагаскарского таракана. 5. Создайте в программе новый файл, назвав его «№ группы, день». В окне МР35 канал 1 должен отражать регистрацию ПД мадагаскарского таракана. Выставить скорость протяжки 2 сек. 6. Перед началом стимуляции проведите запись спонтанной активности брюшного узла таракана. Определите среднее значение базовой активности. 7. Затем проведите стимуляцию левой церки воздухом, затем через 10-15 секунд, не прекращая записи стимулируйте правую церку. Для анализа выделите участки длительностью 1 сек и рассчитайте максимальные величины ПД (выберите параметр «Мах» - 33 |