При развитии потенциала действия происходит изменение возбудимости ткани, причем, это изменение протекает по фазам (рис. 2.7).
Состоянию исходной поляризации мембраны, которую отражает мембранный потенциал покоя, соответствует исходное состояние ее возбудимости и, следовательно, клетки - это нормальный уровень возбудимости. В период локального ответа возбудимость ткани повышена, эта фаза возбудимости получила название первичной экзальтации. Во время развития локального ответа мембранный потенциал покоя приближается к критическому уровню деполяризации и для достижения последнего достаточна сила раздражителя меньшая, чем пороговая (подпороговая).
Рис. 2.7. Соотношение одиночного цикла возбуждения (А) и фаз возбудимости (Б), ( по www.satisform.ru/cat/smi5344344 ).
А: а - мембранный потенциал покоя; б - предспайк, локальный ответ, ВПСП; в - спайк, потенциал действия, деполяризация и инверсия; г - потенциал действия, реполяризация; д - отрицательный следовой потенциал, следовая деполяризация; е - положительный следовой потенциал, следовая гиперполяризация. Б: а - исходный уровень возбудимости; б - фаза первичной экзальтации, повышенная возбудимость; в - фаза абсолютной рефрактерности; г - фаза относительной рефрактерности; д - фаза вторичной экзальтации; е - фаза вторичной рефрактерности
Начало развития пикового потенциала сопровождается лавинообразным поступлением Na+ внутрь клетки, заряд мембраны изменяется на противоположный (инверсия заряда). В этот момент ее способность отвечать возбуждением утрачивается даже на сверхпороговые раздражители до конца перезарядки мембраны. Эта фаза возбудимости называется абсолютной рефрактерностью (абсолютной невозбудимостью). Возникновение этой фазы связано с тем, что сначала натриевые каналы полностью открываются, а затем происходит их инактивация.
После завершения фазы инверсии начинается восстановление возбудимости мембраны до исходного уровня. Развивается фаза относительной рефрактерности. Она продолжается до восстановления заряда мембраны до величины, соответствующей критическому уровню 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, но сравнению с состоянием покоя (исходной поляризацией), то порог раздражения снижен, т. е. возбудимость повышена. В эту фазу новое возбуждение может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы. Натриевые каналы в эту фазу инактивированы не полностью. В период развития положительного следового потенциала возбудимость ткани понижена - фаза вторичной рефрактерности. В эту фазу мембранный потенциал увеличивается (состояние гиперполяризации мембраны), удаляясь от критического уровня деполяризации, порог раздражения повышается, таким образом, новое возбуждение может возникнуть только при действии раздражителей сверхпороговой величины. Гиперполяризация мембраны развивается вследствие трех причин: во-первых, продолжающимся выходом ионов K+; во-вторых, открытием, возможно, каналов для анионов Cl− и поступление этих ионов в цитоплазму клетки; в-третьих, усиленной работой калий-натриевого насоса.
При раздражении с помощью постоянного тока отмечается следующая закономерность: эффект (возбуждение) зависит не только от величины тока, но и от времени его действия - закон силы-длительности. Чем больше ток, тем меньше времени он должен действовать для возникновения возбуждения. Зависимость силы-длительности имеет гиперболический характер (рис.2.8).
Рис. 2.8. Графическое выражение закона силы-длительности (кривая Гоорвега-Вейса-Лапика). 0-1 - реобаза, 0-3 - хронаксия, 0-4 - полезное время, 0-2 две реобазы; по оси абсцисс - длительность раздражения, по оси ординат - сила раздражения
Следствием этой закономерности является то, что ток ниже некоторой минимальной величины не вызывает возбуждение, как бы длительно он не действовал, и чем короче импульсы тока, тем меньшую раздражающую способность они имеют. Причиной этого электрическая емкость мембраны. Токи малой длительности не успевают разрядить эту емкость (уменьшить разность потенциалов) до критического уровня деполяризации. Минимальная величина тока, способная вызвать возбуждение при неограниченно длительном его действии, называется реобазой. Время, в течение которого действует ток, равный реобазе, и вызывает возбуждение, называется полезным временем.
В связи с тем, что определение этого времени затруднено, было введено понятие хронаксия - минимальное время, в течение которого ток, равный двум реобазам, должен действовать на ткань, чтобы вызвать ответную реакцию. Определение хронаксии - хронаксиметрия - находит применение в клинике. Электрический ток, приложенный к мышце, проходит через как мышечные, так и нервные волокна, и их окончания, находящиеся в этой мышце. Так как хронаксия нервных волокон значительно меньше хронаксии мышечных волокон, то при исследовании хронаксии мышцы практически получают хронаксию нервных волокон.
Проксимальные мышцы имеют меньшую хронаксию, чем дистальные. Мышца и иннервирующий ее нерв имеют одинаковую хронаксию (изохронизм). Мышцы — синергисты имеют также одинаковую хронаксию. На верхних конечностях хронаксия мышц-сгибателей в два раза меньше хронаксии разгибателей, на нижних конечностях отмечается обратное соотношение. У спортсменов резко снижается хронаксия мышц и может увеличиваться разница хронаксии (анизохронаксия) сгибателей и разгибателей при перетренировке (переутомлении), развитии патологических состояний в мышцах и др.
Величины хронаксии и реобазы не всегда дают представление об истинном состоянии возбудимости нервно-мышечного аппарата. Показателем возбудимости, учитывающим состояние мышцы, является лабильность. Под лабильностью или функциональной подвижностью Н.Е. Введенский понимал большую или меньшую скорость тех элементарных реакций, которыми сопровождается физиологическая деятельность данного аппарата, в частности мышечного. Мерой лабильности по Введенскому является наибольшее число потенциалов действия, которое возбудимый субстрат способен воспроизвести в 1 сек под влиянием раздражителя без трансформации (уменьшения или повышения) ритма раздражения.
Лабильность определяется длительностью пика потенциала действия, т. е. продолжительностью фазы абсолютной рефрактерности. Так как длительность абсолютной рефрактерности у потенциала действия нервного волокна самая короткая, то лабильность его самая высокая. Нервное волокно способно воспроизвести до 1000 импульсов в секунду.