Экспериментальная установка и процедура эксперимента.

Лабораторная работа №1

Дисциплина Нейрофизиология

Введение.

Нейрон является главной клеткой центральной нервной системы. Формы нейронов чрезвычайно многообразны, но основные части неизменны у всех типов нейронов. Нейрон состоит из следующих частей: сомы (тела) и многочисленных разветвленных отростков. У каждого нейрона есть два типа отростков: аксон, по которому возбуждение передается от нейрона к другому нейрону, и многочисленные дендриты на которых заканчиваются синапсами аксоны от других нейронов. Нейрон проводит возбуждение только от дендрита к аксону.

Основным свойством нейрона является способность возбуждаться (генерировать электрический импульс) и передавать (проводить) это возбуждение к другим нейронам, мышечным, железистым и другим клеткам.

Как возбуждается нейрон? Основная роль в этом процессе принадлежит мембране, которая отделяет цитоплазму клетки от окружающей среды. Мембрана нейрона, как и любой другой клетки, устроена очень сложно. В своей основе все известные биологические мембраны имеют однообразное строение: слой молекул белка, затем слой молекул липидов и еще один слой молекул белка. В такую мембрану встроены разнообразные частицы. Одни из них являются частицами белка и пронизывают мембрану насквозь (интегральные белки), они образуют места прохождения для ряда ионов: натрия, калия, кальция, хлора. Это так называемые ионные каналы. Другие частицы прикреплены на внешней поверхности мембраны и состоят не только из молекул белка, но и из полисахаридов. Это рецепторы для молекул биологически активных веществ, например медиаторов, гормонов и др. Часто в состав рецептора, кроме места для связывания специфической молекулы, входит и ионный канал.

Главную роль в возбуждении нейрона играют ионные каналы мембраны. Эти каналы бывают двух видов: одни работают постоянно и откачивают из нейрона ионы натрия и накачивают в цитоплазму ионы калия. Благодаря работе этих каналов (их называют еще насосными каналами или ионным насосом), постоянно потребляющих энергию, в клетке создается разность концентраций ионов: внутри клетки концентрация ионов калия примерно в 30 раз превышает их концентрацию вне клетки, тогда как концентрация ионов натрия в клетке очень небольшая – примерно в 50 раз меньше, чем снаружи клетки.

Свойство мембраны постоянно поддерживать разность ионных концентраций между цитоплазмой и окружающей средой характерно не только для нервной, но и для любой клетки организма. В результате между цитоплазмой и внешней средой на мембране клетки возникает потенциал: цитоплазма клетки заряжается отрицательно на величину около 70 мВ относительно внешней среды клетки. Измерить этот потенциал можно в лаборатории стеклянным электродом, если в клетку ввести очень тонкую (меньше 1 мкм) стеклянную трубочку, заполненную раствором соли. Стекло в таком электроде играет роль хорошего изолятора, а раствор соли – проводника. Электрод соединяют с усилителем электрических сигналов и на экране осциллографа регистрируют этот потенциал. Оказывается, потенциал порядка –70 мВ сохраняется в отсутствие ионов натрия, но зависит от концентрации ионов калия. Другими словами, в создании этого потенциала участвуют только ионы калия, в связи, с чем этот потенциал получил название «калиевый потенциал покоя», или просто «потенциал покоя». Таким образом, это потенциал любой покоящейся клетки нашего организма, в том числе и нейрона.

Экспериментальная установка и процедура эксперимента.

Эксперименты по изучению мембранного потенциала покоя проводятся на компьютерной программе MetaNeuron. Программа предназначена для студентов и не требует опыта работы с компьютерным моделированием.

Эксперименты проводятся в MetaNeuron путем изменения значений параметров, которые отображаются в верхней части экрана. На начальном этапе выполнения работы студент изменяет значения концентрации ионов К+ и Na+ внутри и снаружи и наблюдает за тем, как изменяется электрохимический равновесный потенциал по К+ и Na+. Полученные данные заносятся в таблицу (5примеров).

После возврата значений по умолчанию, изменяется проницаемость мембраны каналов для К+ и Na+. По заданным значениям студент изменяет проницаемость мембраны каналов для К+ и Na+.

Все полученные результаты заносятся в таблицу, анализируются, и отображаются на графиках.

Содержание работы.

В рамках данной лабораторной работы будет рассмотрено как К⁺ и Na⁺ - ионные каналы влияют на мембранный потенциал покоя (ПП). В работе моделируется пассивная проводимость К⁺- и Na⁺- каналов мембраны нейрона. Пассивная проводимость не зависит от электрического потенциала и поэтому нейрон не генерирует потенциал действия. В рамках данной лабораторной работы можно варьировать концентрацию ионов К⁺ и Na⁺ снаружи и внутри клетки. Используемое в данном практикуме программное обеспечение (ПО) рассчитывает по уравнению Нернста электрохимический равновесный потенциал для каждого иона, исходя из мембранного градиента концентрации этих ионов.

Мембранный ПП нейрона зависит от концентраций ионов К⁺ и Na⁺ вне и внутри клетки и проницаемости мембраны для ионов К⁺ и Na⁺. Проницаемость мембраны может изменяться как для К⁺, так и для Na⁺. Мембранный потенциал рассчитывается с помощью уравнения Голдмана-Ходжкина-Катца.

Характеристики проницаемости мембраны для ионов Cl^- не учитываются в данной симуляции нейрона. Активные мембранные проводимости в рамках данного практикума не моделируются.

Используемая в данной работе программная среда: «MetaNeuron».

Цель работы: рассмотреть, как К⁺ и Na⁺ - ионные каналы влияют на мембранный потенциал покоя.

Поставленные задачи:

1. С помощью программного обеспечения («MetaNeuron») проследить за эффектом, которые оказывают изменения в концентрации ионов К⁺ и Na⁺ снаружи и внутри клетки на электрохимический равновесный потенциал;

2. Варьируя значения проницаемости мембраны каналов для К⁺ и Na⁺, выявить закономерность, при которых изменяется мембранный потенциал покоя;

3. Проанализировать полученные данные и сделать выводы.

4.