Раздел лекции – это переход к ПД.
До этого мы говорили лишь о том, как заряжен нейрон, но эволюция это делала для того, чтобы генерировать импульсы для того, чтобы передавать информацию. Вот, давайте мы сейчас тоже посмотрим, как это все случается и попробуем в нашем нейроне передать какой-нибудь сигнал. Для этого мы воспользуемся все тем-же нашим стеклянным микроэлектродом, он продолжает торчать в нейроне, но его ведь можно использовать не только для регистрации, но и для стимуляции. Можно через него подавать электрические импульсы, и смотреть, как нейрон отреагирует, т.е. это уже эксперимент, активное воздействие.
Итак, начинаем стимулировать наш нейрон, вот у него ПП -70 мВ, и нажимаем на кнопку и даем ступеньку тока 10 мВ, нажали и отпустили. Ничего не вышло, наш нейрон не отреагировал, ну ладно думаем мы, давайте посильнее и даем 15 мВ, и опять ничего, ну, любопытству нет предела, а давайте 20 мВ дадим, и вот в тот момент, когда заряд в нашем нейроне доходит до такого очень сакрального уровня -50 мВ, происходит следующее. Нервная клетка, которая до того не особо на наши стимулы не откликалась, вдруг как бы просыпается и мы видим как заряд в ней резко идет вверх, уходит в плюсовую зону и потом резко возвращается назад к уровню ПП. Т.е. это действительно похоже на ситуацию, когда вы будите человека, толкнул – спит, толкнул сильнее – спит, толкнул еще сильнее – он как вскочит, т.е. явно реакция системы больше, чем тот стимул который мы выдали и это, собственно и есть ПД.
Ну и давайте осознаем с вами параметры этого самого ПД. Длительность вот такой ступеньки тока составляет в разных нейронах от 1 до 2 миллисекунд (мс). Все начинается с уровня -70 мВ, а вершина на уровне + 30 мВ, в сумме получается 100 мВ, 1/10 Вольта. И еще что очень важно здесь, это пороговый стимул, т.е. для того, чтобы разбудить наш нейрон нам от уровня -70 мВ, нужно было подняться до уровня -50 мВ, и стало было понадобилось 20 мВ.
Вот этот уровень -50 мВ – он тотальный, общий для всех нервных клеток, вне зависимости от ПП.
И вот, собственно, полный ответ на вопрос: «А зачем нейронам разный ПП?». Для того, чтобы нейрон среагировал нужно поднять в нем заряд до -50 мВ, и если исходно он -60 мВ, то поднять не сложно, а если исходно -90 мВ, то надо еще потрудиться. Разный уровень возбудимости, нейроны у которых низкий ПП мало возбудимые, а у который высокий ПП – легко возбудимые, и в разных частях мозга нужны разные нейроны. И более того, нам еще встретятся нейроны (даже сегодня) у которых такой сильный вход натрия, что ПП поднимается выше -50 мВ, а что из этого получится чуть позже.
Нужно осознать, что все это длиться примерно 1 мс. Восходящая и нисходящая фаза по 0,5 мс.
Что такое случается с нервной клеткой, что в ней вдруг заряд поскакал вверх, а потом быстро пошел вниз?
Восходящая фаза случается за счет того, что в клетку начинает мощно входить Na+, а нисходящая фаза – очень быстрый выход K+. Т.е. входит Na+ и вносит положительный заряд и все идет вверх, а потом выходит Ka+, выносит положительный заряд вниз к уровню ПП.
Почему Na+ не входил и не входил, а тут вдруг начинает тотально входить? Это каналы, но только это уже не постоянно открытые каналы, а каналы со створками, и створки такого канала реагируют на заряд цитоплазмы. Подобные каналы называют электро-чувствительными.
Желтым показано – белковая петля, створка, реагирующая на заряд в цитоплазме, а цитоплазма у нас -70 мВ (например), т.е. много отрицательных зарядов, а на самой створке там такие аминокислоты что много положительных зарядов, в итоге створка притягивается к цитоплазме и закрыта пока -70 мВ, или пока -60 мВ. Но, как только заряд оказывается выше -50 мВ его уже не хватает, чтобы удерживать створку, и створка открывается. Если заряд вернуть обратно, ниже -50 мВ, то створка прекрасно закроется. Т.е. она совершено спокойно открывается и закрывается, и никакой энергии не нужно. На основе таких каналов и создан ПД.
И, собственно, получается, что ПД обслуживают прежде всего электро-чувствительные Na+ каналы и электро-чувствительные K+ каналы. И у них несколько разные свойства, Na+ канал очень шустрый, очень быстрый, его створка открывается практически мгновенно после стимула, но он самопроизвольно закрывается примерно через 0,5 мс. И в итоге в клетку успевает зайти порция натрия, а K+ канал, наоборот, чуть медленнее и открываются K+ каналы в среднем через 0,5 мс после стимулов, в тот момент, когда Na+ каналы уже почти все закрылись. И начинается выход K+ потому что в этот момент уже никакого отрицательного заряда уже не осталось, уже + 30 мВ, и никто не мешает К+ радостно убегать из цитоплазмы.
Правда, здесь есть одна очень важная тонкость. Na+ канал несколько сложнее, у него не 1 створка, а 2 створки. Желтую можно назвать малой створкой, она находится внутри прохода в белковой молекуле, а есть еще большая створка – синяя, она со стороны цитоплазмы, и она в исходном положении открыта, но свойства у неё такие же, как и у малой. Тоже положительный заряд и, если будет выше -50 мВ, она начнет двигаться в сторону внешней среды ну и, по сути, закрываться. А теперь можно посмотреть, как эта штука работает во время ПД.
5 основных точек.
1 – исходное положение во время ПП. Малая створка закрыта, большая открыта, в целом канал закрыт.
2 – восходящая фаза (после -50 мВ)
3 – пик ПД
4 – после прохода -50 мВ уже на нисходящей фазе
5 – снова ПП. Поэтому точка 1 равна точке 5. Строго говоря, всего 4 конфигурации Na+ канала.
1 = 5 ПП (большая створка открыта, малая створка закрыта);
2 = стимул, подъем заряда выше -50 мВ, и малая створка мгновенно открылась, открылся натриевый канал и входит Na+ 
, и через 0,5 мс 3 фаза;
3 = большая створка закрыла канал;
4 = начинается нисходящая фаза, выходит калий, и когда все проходит уровень -50 мВ, то малая створка вернулась на место, а большая створка начинает открываться;
5 = канал вернулся в и.п.
Восходящая фаза = вход натрия, а нисходящая = выход калия.
А давайте теперь с этой штукой экспериментировать, возьмем этот токсин – тетродотоксин – яд рыбы фугу (эта аминогруппа работает как «пробка» для Na+ - канала)
Вот эта молекула работает как пробка для Na+ - канала.
И если вы такую рыбку съели, то ваши Na+ каналы выйдут из строя.
А это означает, что не будет восходящей фазы, а это означает что вообще не будет ПД. То есть сигналы по нервной системе перестанут передаваться, и вначале у вас возникнет нарушение чувствительности, а потом может и паралич, и остановка дыхания и вообще помереть можно. В Японии существует отдельная культура по поеданию рыбы фугу, что вроде русской рулетки, но только для настоящий самураев. Специально обученные повара, с серьезным сертификатом готовят из фугу такое сашими, порция стоит около 200$, и за свои деньги вы можете попытаться отравиться. Причем, все на самом деле не так просто, токсина должно быть правильное количество, так, чтобы возникли сенсорные нарушения, т.е. возникает ощущение тепла и холода, которые плывут по коже, а вот паралич это уже неправильно, а если клиент вообще помрет, то повару придется делать харакири. По статистике не больше 3-4 человек гибнет в год. Фармакологи последние 200 лет пытаются сделать из тетротоксина какое-то обезболивающее, но пока плохо получается. Но, в принципе, человечество с ним давно и серьезно работает.
Это вещество придумали химики. ТЭА прекрасно затыкает калиевый канал. А что случится с ПД в этом случае? Восходящая фаза никак не страдает, а вот нисходящая дойдет до +30 мВ и длиться будет вместо 0,5 мс, 50 мс, т.е. в 100 раз больше. Калий выходит через постоянно открытые калиевые каналы, т.е. те, которые участвуют в образовании ПП, они никуда не делись и калий может выходить через них тоже. Но, просто этих каналов в 100 раз меньше, чем каналов со створками и поэтом выход длиться в 100 раз дольше. Понятно, что нормальное проведение информации нарушено, но, например, дыхание не останавливается. Человек будет в глубоком обмороке, но человек не помрет, в отличие от тетродотоксина который останавливает все тотально.
ПД, каждый раз входит порция натрия и убегает порция калия, а ведь ПП это же избыток калия. Т.е. если калий каждый раз убегает, то наша батарейка очень скоро будет разряжена и нейрон не сможет генерировать следующий ПД. Как же устранить последствия ПД?
А это делает все тот же натри-калиевый насос. Эту схему я показывал для ПП, но её очень легко превратить в схему ПД, достаточно добавить сюда. И получится, что во время каждого ПД, когда входит натрий, насос этот натрий начинает оперативно убирать. Убежал калий, насос начинает его оперативно запихивать обратно. Т.е. получается, что у натри-калиевого насоса как минимум 3 функции:
1. Во-первых, он обеспечивает исходно высокую концентрацию Калия в цитоплазме и низкую концентрацию натрия.
2. Во-вторых, он способствует выводу ПП на некий индивидуальный, характерный именно для этого нейрона уровень, скажем -70 мВ или -60 мВ.
3. В-третьих, это ликвидировать последствия ПД.
Т.е., по сути, натри-калиевый насос в этой системе работает как зарядное устройство, которое, собственно, держит батарейку все время в активном состоянии.
И АТФ, при этом, конечно, в огромном количестве расходуется. И мы говорим, что мозг — это самая энергоемкая ткань нашего организма, так вот основную энергию в мозге съедают натри-калиевые насосы, они потребляют более 90%
всей энергии.
Сделали мы ПД, и это только начало. Потому что он должен не только появляться в какой-то точке мембраны, он должен распространятся дальше. Т.е., сигнал должен передаваться по нейрону. Поэтом следующий момент, о котором нужно поговорить это распространение ПД и как это происходит.
Вот мембрана нашей нервной клетки, и с помощью нашего стеклянного микроэлектрода мы в этой точке запустили ПД. И начал он развиваться, входит натрий. Дальше, оказывается что для соседних точек мембраны развивающийся ПД по сути тоже является возбуждающим стимулом. Говорят, что когда ПД разгорается в определенной точке мембраны, то он, в соседних точках мембраны тоже как бы поджигает ПД. Перепад заряда вверх, заставляет в соседних точках тоже открывать натриевые каналы и через 1/10 мс мы увидим, что в соседних точках тоже начинается ПД. В первой точке он дошел до пика, а в соседних только развивается. И вот эти точки поджигают еще более удаленные точки, и еще более удаленные. Т.е., ПД расходится по мембране нейрона как круги по воде.
Т.е., если по-другому нарисовать, то это будет выглядеть вот так. ПД расходится во все стороны, выходит на аксон, и по аксону добегает до синаптического окончания, выделяется медиатор и т.д.
Самой точной аналогией является даже не круги по воде, а бенгальский огонь.
Вот если вы возьмете палочку бенгальского огня 
и подожжете по центру вот это будет очень точная аналогия ПД. Т.е., некое место в этой палочка разгорится, подожжет соседние точки, они разгорятся и подожгут еще более удаленные точки и т.д. И конечно, процесс этот идет медленно, вот в этом месте нервные клетки совершенно отличаются от электронных систем, потому что в компьютере (или микросхеме) электрический ток это движение электронов, которые идут со скоростью света, а здесь жутко медленный процесс связанный с открыванием белковых молекул, поэтому скорость распространения ПД чудовищно низкая 1-2 метра в секунду. 1-2 метра в секунду, от скорости света вообще далеко. Представьте, если у нас была такая скорость, вот рука длиной в 1 метр, обожгли палец и дальше 1 секунду сигнал идет до мозга, обрабатывается и секунду идет обратно, вся рука уже сгорела. А представьте себе динозавра длинною в 20 метров, кто-то начал есть его хвост, и вот через 20 секунд ГМ об этом узнает, вообще так и без хвоста можно остаться. Поэтому эволюция искала способы как увеличить скорость проведения ПД. И нашла 2 основных способа:
1.Первый характерен больше для беспозвоночных, это сделано за счет того, что очень толстый аксон. В электричестве такая же ситуация, если толстый провод, то электричество идет легче, и здесь примерно также, передача ионного сигнала идет легче по толстым аксонам и скорость можно догнать до 10 м в секунду. И здесь рекордсменами являются кальмары. У них существует гигантские аксоны толщиною в целый миллиметр. И за счет этих аксонов кальмар сокращает свою мантильную полость и как ракета движется. В свое время аксоны кальмара, еще до изобретения стеклянных микроэлектродов были модельным объектов вообще для изучения нервной системы. Потому что с этим аксоном можно работать как с реально такой трубкой. Отрезали аксон, валиком выдавили из него цитоплазму, вместо неё налили раствор с той концентрацией калия или натрия, который нам интересен, запихнули туда не стеклянный микроэлектрод, а просто тонкую стеклянную трубочку и уже можно работать. Т.е., в свое время кальмары послужили модельным объектом.
Так что они не только на салат годятся, но и очень интересны с точки зрения физиологии.
2. А вот позвоночные и членистоногие пошли другим путем, они создали миелиновые оболочки. Т.е., специальные вспомогательные клетки (глиальные клетки) оборачиваются вокруг аксона и формируют изолированные участки. Причем, между участками остается голые промежутки – перехваты Ранвье. Это сделано для того, чтобы быстрее проводить электрический сигнал.
Дело в том, что если вот так все заизолированно, то закорачивание электрического тока будет происходить через ближайший неизолированный участок. И не нужно поджигать весь этот бенгальский огонь по очереди, возбудился один перехват Ранвье, оп и перескочили на следующий и т.д. И это быстро и экономно, плюс прирост скорости примерно в 100 раз. Закорачивание происходит через ближайший участок, не вся мембрана работает и теряет калий и впускает натрий. Та оболочка, которая накручивается она состоит из очень специфичного липидно-белкового комплекса, который называется миелин, и они в основном на аксонах. А поскольку миелин имеет еще белый цвет, то оказалось, что мы называем белое вещество мозга – это в основном аксоны, а вот более темное вещество, там то миелина мало, это серое вещество – тела нейронов. Выходит, что мы реально серым веществом думаем, а белое вещество – это кабели которые соединяют наши мысли.
Клетки, которые создают миелиновые оболочки это – олигодендроциты, вспомогательные глиальные клетки нервной ткани. Которые обслуживают нейроны и помогают им передавать информацию.
Нервная сеть состоит из нейронов и глиальных клеток. И глиальных клеток почти в 10 раз больше.
И они как клетки няньки для нейронов, они поддерживают эту тончайшую сеть отростков, они заботятся о химическом составе межклеточной среды.
Олигодендроциты – создают миелиновые оболочки и следят за межклеточной средой.
Астроциты – клетки, с большим количеством отростков. Создают механическую опору для нейронов, и отвечают за перенос веществ от капилляров к нейронам, являются барьером между кровью и мозгом – это и есть гемато-энцефалический барьер (ГЭБ). Очень важная часть мозга, потому что не должны какие попало вещества из крови в мозг проникать. Если бы так было, то какая-нибудь булочка вызывала судороги или галлюцинации – это не правильно. ГЭБ работает всегда, а если люди создают психотропные препараты, то надо обманывать ГЭБ.
Есть еще микроглиальные клетки, это такие маленькие фагоциты, которые аккуратно ходят по мозгу и собирают мусор, вирусы там всякие.
И последнее.
Нейроны-пейсмекеры (водители ритма),мейкеры – делатель, пейс – ритм.
Это нейроны у которых так много натриевых каналов, что ПП у них не существует, заряд клетки ползет вверх доходит до уровня -50 мВ, и возникает ПД, потом за счет выхода калия все отбрасывается на уровень -60 мВ, опять начинает входить натрий, щелк и следующий ПД – и так постоянно. Нейроны-пейсмекеры способны сами из себя генерировать электрический импульс без каких-либо дополнительных воздействий, его не нужно бить током или выливать на него какой-то медиатор, он сам себе генератор электрических импульсов. И такие клетки нам очень нужны, например, в дыхательных центрах, каждый наш вдох запускается такими нейронами. И похожие клетки, правда не нейроны, а мышечные клетки находятся в сердце и запускают наше сердечное сокращение. Понятно, что чем интенсивнее вход натрия, тем чаще ритм.
Местные анестетики.
Анестезия (с греч.) – потеря чувствительности. Это еще не наркоз, не тотальное засыпание всего организма, а всего лишь местная потеря чувствительности. Опыт у нас каждого есть, например, у дантиста, вам что-то колют в верхнюю или нижнюю челюсть и не только боль исчезает, а вообще любая чувствительность и так еще парализует слегка. И доктор по идее должен спросить: «Ну как там у вас нет повышенной чувствительности?», т.е. не грохнетесь ли вы в обморок от этой самой анестезии. Примером является новокаин. Местные анестетики привязываются к большой створке натриевого канала в тот момент, когда эта створка закрыта и в итоге происходит выключение натриевого канала, и в итоге кусок нервного волокна не проводит ПД, и сигнал никуда не идет.
И то, что доктор вводит вам в челюсть помимо собственного местного анестетика еще содержится сосудо-суживающий препарат, чтобы препарат не растекался по окрестности.
Если это укол в верхнюю челюсть, я рекомендую вам прислушиваться к собственным ощущениям, и если голова побежала, то лучше в следующий раз какой-нибудь другой местный анестетик попробовать.
А вот еще один токсин у лягушки с предупреждающей окраской, типа не ешь меня еще хуже будет, отравишься. И действительно эти лягушки очень ядовиты, правда они не сами вырабатывают этот яд, а едят специальных ядовитых жучков и потом накапливают их яд в своей коже. (тоже самое с рыбой фугу, она не сама его делает, она ест специальных ядовитых морских звезд)
Что делает токсин этих лягушек? Батрахотоксин привязывается к большой створке, но на этот раз в открытом положении, и натрий входит и входит, заряд доходит до -50 мВ, ПД, снова -50 мВ, и снова ПД, в какой-то момент батарейка садиться и паралич. Т.е. сначала возникает судорога, а потом паралич. Живут такие ядовитые лягушки в Амазонии, а например, в Московском зоопарке они же не едят ядовитых жучков и они безопасны. Также, я встречал рассуждения, помните казни Египетские, когда жабы сыпались по приказу Моисея, и вот там были не просто жабы, а вот эти лягушки. Потому что от простых жаб мало толку, а вот если вы хотите что-то тотально уничтожить, то вот такие лягушки очень кстати.
Существо обладает встроенным электрошокером. Сделан этот электрошокер с помощью мышечных клеток, его мышечные клетки также как и нервные обладают и ПП и ПД. И их ПД, тоже где-то минус 0,1 В, это вроде немного, но сделайте батарею скажем из 100 клеток, уже будет 10 В, а 1000 клеток = 100 В, а 10, 000 клеток = 1000 В. И получается угорь может выдавать 500-700 В. Этого достаточно, чтобы оглушить добычу и защищаться от врагов. Человек гуляя в речке по колено получив такой разряд просто может умереть в воде, так как он потеряет сознание.
Электричество у рыб довольно используемая материя, и далеко не все рыбы используют это как электрошокер. Многие из них генерируют электрические поля, чтобы ощупывать окружающий мир. И этот симпатичный слоник, он пользуется этим как дополнительным осязанием. И очень многие рыбы просто реагирует на электрические поля, им не нужно втыкать в кого-нибудь микроэлектроды, чтобы учуять ПД, и акула, когда плывет над песком, она с помощью своих ампул ампул лоренцини чувствует камбалу, которая зарылась в песок, но сердце то у камбалы бьется, и акула чувствует эти ПД и вытаскивает её из песка. Также дельфины и утконосы на это способны.
https://vk.com/foravsem1 Расписал и сэкономил время для вас 😊
1 лекция – 4 часа экономии 😊
12 лекций – 48 часов экономии 😊