4. Зміст лекційного матеріалу:

А) структурно-логічна схема змісту теми:

МЕТОДИ ФІЗІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

ЕКСПЕРИМЕНТ

МОДЕЛЮВАННЯ

СПОСТЕРЕЖЕННЯ

БІОЛОГІЧНЕ

МАТЕМАТИЧНЕ

ХРОНІЧНИЙ

ГОСТРИЙ

МЕТОДИ РЕЄСТРАЦІЇ ПС

ПОЗАКЛІТИННИЙ

метод пошкодження

ВНУТРІШНЬОКЛІТИННИЙ

мікроелектродний

МЕТОДИ РЕЄСТРАЦІЇ ПОТЕНЦІАЛУ ДІЇ

ВНУТРІШНЬОКЛІТИННИЙ

ПОЗАКЛІТИННИЙ

БІПОЛЯРНИЙ

УНІПОЛЯРНИЙ

ПОТЕНЦІАЛ ДІЇ

ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦІЇ

ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦІЇ

ФАЗА РЕВЕРСПОЛЯРИЗАЦІЇ

НАТРІЄВА АКТИВАЦІЯ

НАТРІЄВА ІНАКТИВАЦІЯ

КАЛІЄВА АКТИВАЦІЯ

Вхід натрію в клітину

Припинення входу натрію в клітину

Вихід натрію та вхід калію у клітину

Проведення збудження по нервовим волокнам

Одностороннє Ізольоване

Без зміни амплітуди ПД

Без втоми

З високою швидкістю

З ↑коефіцієнтом надійності

Точна передача

Передача без змін

Швидка передача

Б) текст лекції:

Нормальна фізіологія – наука про об’єктивні закономірності протікання функцій організму в їх взаємозв’язку і у взаємодії організму із зовнішнім середовищем.

Функція – це діяльність і властивість клітин, органів, систем організму, які проявляються як фізіологічний процес чи сукупність процесів. Функції є:

1. Специфічні – притаманні лише даній тканині (клітині), наприклад, специфічна функція м’язевої клітини – скорочення, нервової – проведення збудження.

2. Неспецифічні – притаманні багатьом (чи всім) тканинам та клітинам організму. Наприклад, функція обміну речовин є у всіх клітинах та тканинах.

Об’єктом фізіологічного дослідження є функція організму, його систем, органів і клітин.

Мета фізіології – пізнання функції і закономірності функцій організму для медичної практики.

Завданням фізіології є вивчення функцій з метою виявлення причин та характеру їх порушень при захворюванні.

Методами фізіологічних досліджень є:

Гострий експеримент – дослідження проводять під наркозом, може супроводжуватись перерізуванням нервів, введенням різних речовин (в більшості випадків є летальним для піддослідних тварин).

Хронічний експеримент – дослідженню передує операція (введення фістули в протоку залози) й після одужання тварини проводять дослідження функцій (секреція залоз) в умовах, що максимально відповідають природним.

Біологічне моделювання – у тварини за допомогою хірургічного втручання викликається гіперфункція серця і досліджують, як ця зміна впливає на стан організму.

Математичне моделювання – відтворюють фізіологічні процеси на комп’ютерах та досліджують різні варіанти реакцій, тобто можливі зміни при тих чи інших впливах на організм (ліки, фізичні фактори, екстремальні умови навколишнього середовища).

Із курсу загальної біології відомо, що всі живі організми здатні реагувати на прояви зовнішнього чи внутрішнього середовища зміною своєї структури, виникненням, посиленням чи послабленням активної діяльності. Впливи, які зумовлюють ці зміни, називаються подразниками, а зміни в живому організмі, які викликані ними, називаються реакціями на подразнення. В цьому полягає нерозривний зв’язок живих організмів з навколишнім світом.

Високоспеціалізованим тканинам, таким як нервова, м’язова і залозиста, властива лише специфічна для цих тканин своєрідна зміна, що виникає під впливом подразнення і визначається терміном «збудження». Отже, збудливість — це властивість живих структур сприймати зміни зовнішнього та внутрішнього середовища й змінювати свою специфічну діяльність. Здатність збудливої тканини до збудження називається збудливістю. Збудливість — це здатність живої тканини відповідати на подразнення активними реакціями, основним компонентом яких є специфічна зміна фізико-хімічних і біохі­мічних властивостей поверхневої мембрани клітини, якій властива специфічна чутливість до дії подразників. Збудження — це характерна відповідь збудливої системи на подразнення.

Вивчення збудження у вітчизняній науці було започатковане І. М. Сєченовим і М. Є. Введенським й розвинуте В. Ю. Чаговцем, О. О. Ухтомським, О. Ф. Самойловим, Д. С. Воронцовим, П. Г. Костюком та багатьма іншими вченими. Проте проблема збудження і досі є основним предметом дослідження у нейрофізіології.

Збудливість різних тканин досить різна. Мірою збудливості є порогова сила подразнення. Порогова сила подразнення — це найменша сила подразнення, яка здатна викликати збудження. Поріг подразнення і збудливість знаходяться у зворотній залежності, тобто, чим менший поріг, тим вища збудливість і навпаки.

Крім порогової сили подразнення, збудливість тканини характеризують лабільність і хронаксія.

Лабільність. Поняття про лабільність увів М. Є. Введенський. Під лабільністю, або функціональною рухомістю, за М. Є. Введенським, слід розуміти більшу чи меншу швидкість тих елементарних реакцій, із яких складається збудження і які супроводжують фізіологічну діяльність даного апарату. Оскільки під елементарними реакціями розуміють збудження, то мірою лабільності є найбільша кількість збуджень, яку може надати збудлива тканина за одиницю часу відповідно до частоти подразнень. Лабільність залежить від тривалості збудження. Що коротший час збудження, то лабільність і збудливісь вищі.

Хронаксія. Хронаксія введена при вивченні залежності порога подразнення від часу дії електроструму на тканину. Струм нижче порога не викликає збудження, як би довго він не діяв. Мінімальна сила постійного струму, яка здатна викликати збудження при безмежно тривалій дії електричного струму, називається реобазою. Мінімальний час, протягом якого повинен діяти струм в одну реобазу, щоб викликати збудження, називається корисним часом.

Хронаксія — найменший час, протягом якого струм, що дорівнює подвійній реобазі, діючи на тканину, викликає збудження. Вона характеризує час виникнення збудження. Що коротша хронаксія, то швидше зростає збудження. При тривалості хронаксії збудливість понижується.

Ступінь збудливості тканини — явище змінне.

Збудливість хвилеподібно змінюється внаслідок подразнення. В цьому разі розрізняють абсолютну і відносну рефрактерність, фазу екзальтації та додатковий тривалий період зниження збудливості.

Абсолютна рефрактерність для скелетного м’язового волокна становить 2,5–4 мс, для товстих нервових волокон — 0,4 мс, для тіла нервової клітини — 2,5–4 мс, для серцевого м’яза — декілька сот мілісекунд. Ці циклічні зміни збудливості призводять до того, що частота збудження не може збільшуватися безмежно. При високих частотах подразнення настає зміна (трансформація) ритму збудження, що виникло. При тривалому подразненні збудливість знижується. Таке зниження збудливості називається адаптацією. Час, протягом якого відбувається адаптація, різний для різних збудливих тканин. Так, рецептори м’язового веретена адаптуються протягом кількох хвилин, шкірні тактильні рецептори — протягом кількох секунд.

Розрізняють два види збудження: місцеве, або локальне, і таке, що поширюється. Локальне збудження виникає при дії малих за силою допорогових подразнень (приблизно 50–70 % порогової сили), має велике значення через те, що здатне викликати процес деполяризації мембрани. При певній силі подразнення місцеве збудження досягає критичного рівня деполяризації, за яким виникає поширюване збудження, яке й зумовлює зовнішню реакцію організму. Локальне збудження спостерігається в рецепторах, постсинаптичній мембрані.

Місцеве збудження. У ньому відсутній латентний період. Місцеве збудження проявляється в місцевій електронегативності тканини, тобто проявляється локальним потенціалом, що виникає практично відразу з нанесенням подразнення. Воно має градуальний характер — чим більша сила подразника, тим більше виражене місцеве збудження. Відсутня рефрактерність. Збудження гасне на відстані кількох міліметрів від місця збудження.

Поширюване збудження має прямо протилежну характеристику. У ньому є латентний період, який потрібний для того, щоб місцеві градуальні збудження досягли необхідного порогового рівня, який забезпечує виникнення поширюваного збудження, має поріг подразнення, рефрактерність і є величиною завжди постійною, тобто не є градуальним. Зовнішнім проявом його є потенціал дії, який виникає за законом «все або нічого». Збудження в цьому випадку охоплює всю подразнену одиницю і поширюється без послаблення за рахунок подразнюючої дії місцевих електрострумів.

Швидкість поширення збудження в одній і тій самій тканині однакова і становить у смугастих м’язових волокнах від 1 до 4 м/с, у нервових волокнах від 1 до 130 м/с. Швидкість поширення збудження в нервових волокнах залежить від діаметра волокна та його мієлінізації. Тривалість збудження в різноманітних тканинах також коливається від 1–2 до десятків м/с.

Перші точні визначення швидкості проведення збудження були здійснені Гемгольцем за допомогою міографічної методики.

Біоелектричні явища під час збудження

Серед різноманітних функцій клітинних мембран однією з основних є генерація та проведення біоелектричної активності, яка визначається різницею електропотенціалів між двома точками живої тканини. Питання про походження і проведення біопотенціалів цікавило багатьох учених. Значний інтерес до цих явищ живої природи виявив зокрема відомий фізик Фарадей. Він писав: «Якими б чутливими не були електричні явища, властиві неорганічним матеріалам, вони не витримують ніякого порівняння з тими, які пов’язані з діяльністю нервової системи та електричними процесами».

Основними видами біоелектричних потенціалів є:

1. Мембранний потенціал (потенціал спокою) — МПС.

2. Потенціал дії (ПД).

Мембранний потенціал спокою

Всі живі клітини мають різний електричний заряд на зовнішній і внутрішній поверхнях мембрани. Таким чином, мембрана є поляризованою.

У стані спокою зовнішня поверхня має позитивний, а внутрішня — негативний заряд. Ця різниця потенціалів і визначає наявність у живій тканині мембранного потенціалу. Ця біоелектрична активність вперше була виявлена у вигляді потенціалу спокою між ушкодженою і неушкодженою поверхнею.

Наявність МПС можна довести шляхом введення до нервового волокна чи клітини тонкого скляного мікроелектрода, заповненого KCl. Діаметр кінчика такого мікроелектрода дуже тонкий і становить 0,5–1 мкм. Інший індиферентний електрод міститься в позаклітинному середовищі. Коли мембрана ще не проколота, осцилограф не фіксує струму, але як тільки кінчик мікроелектрода пройде крізь мембрану, то прилад засвідчить появу електроструму.

Значний внесок у вивчення МПС зробили українські фізіологи на чолі з академіком П. Г. Костюком, які вперше в колишньому СРСР застосували мікроелектродну техніку.

Для МПС характерні такі параметри, як величина (виражається в мілівольтах), полярність та постійність. Мембранний потенціал спокою нервового волокна, наприклад, дорівнює -90 мВ, у нейронах -70 мВ.

Залежно від розташування електродів на об’єкті розрізняють два методи реєстрації ПД — біполярний (двополюсний) та уніполярний (однополюсний). Внутрішньоклітинна реєстрація ПД здійснюється тільки уніполярним методом. У цьому разі один відвідний електрод розташовують на поверхні клітини, а другий (пасивний) — всередині клітини або на її ушкодженому місці, тобто на ділянці цього ж об’єкта, електричний потенціал якої є постійним. Біполярним методом реєстрації потенціалів називають такий метод, коли обидва електроди розміщуються на поверхні клітини або нерва.

Мембранний потенціал спокою можна зареєструвати у всіх живих клітинах. Величина МПС при незмінному стані клітини не змінюється. Підтримання постійного МПС забезпечується нормально постійним перебігом клітинного метаболізму. Величина його коливається від -20 до -200 мВ, але звичайно величина МПС нейрона -60–-80 мВ, скелетного м’язового волокна -80–-90 мВ, волокна гладенького м’яза -60 мВ, серцевого м’яза -90–-95 мВ.

Потенціал спокою нервової та м’язової клітини завжди негативний.

Відповідно до сучасної теорії Ходжкіна, Хакслі та Катца, причиною виникнення МПС є нерівномірний розподіл іонів калію зовні та з внутрішньої сторони мембрани клітини. Отже, місцем порушення балансу заряду, яке лежить в основіМПС є клітинна мембрана. Якщо внутрішнє середовище клітини за-ряджене більш негативно, ніж неклітинне середовище, то всерединіклітини повинен існувати надлишковий негативний заряд, тобтонадлишок негативних іонів (аніонів). Пори мембрани вільно пропускають одновалентні іони (наприклад, К⁺, Nа⁺, Сl^- та ін.), але не пропускають іони білка. В клітинах є білки та інші макромолекули, якими при фізіологічних значеннях забезпечується сумарний негативний заряд. Крім того, є нерівномірний розподіл іонів К⁺ і Na⁺. Так, концентрація іонів К⁺ всередині нервових і м’язових клітин у 20–100 разів вища, ніж зовнішньоклітинна концентрація.

Концентрація іонів Na⁺, навпаки, зовні в 5-15 разів вища, ніж в середині клітини. Внутрішньоклітинна концентрація іонів Сl^- в 20-100 разів нижча зовнішньоклітинної. Таким чином, розподіл концентрації іонів Сl^- є приблизно зворотним розподілу іонів К⁺.

Іонна асиметрія приводить до появи між цитоплазмою клітини і зовнішнім середовищем концентраційних іонних градієнтів, що мають напрямок: калієвий градієнт спрямований зсередини назовні, а натрієвий і хлорний — ззовні всередину. У спокої мембранні пори такі вузькі, що проходити крізь них можуть тільки відносно дрібні іони К⁺, тому мембрани більш проникливі для К⁺, ніж для Nа⁺. Щоразу, коли іон К⁺ наштовхується на отвір пори, вони дифундують кризь мембрани. Оскільки з внутрішньої сторони мембрани іонів К⁺ набагато більше, такі зіткнення відбуватимуться частіше, ніж ззовні, так що більше іонів проходитиме зсередини назовні, ніж у зворотному напрямку.

Спостерігається чистий вихід К⁺ із клітини, створюваний більш високою внутрішньоклітинною концентрацією чи залишковим тиском К⁺. Цей вихідний потік К⁺ повинен був би швидко вирівняти залишковий тиск (чи концентрацію) цього іона, якби йому не протидіяла еквівалентна протилежно спрямована сила.

Ця сила, що діє в протилежному напрямку, зумовлена електричним зарядом аніонів Cl^-. Коли К⁺, спрямований різницею залишкового тиску, залишає клітину, він виносить позитивний заряд, що за величиною відповідає негативному заряду на внутрішній стороні. При цьому виникає МПС. Полярність цього потенціалу така, що він перешкоджає виходу інших катіонів; позитивний заряд відштовхує позитивні іони. Вихід позитивних зарядів вже створює електричний потенціал, який перешкоджає виходу інших позитивних зарядів.

Отже, іон К⁺ забезпечує заряд зовнішньої поверхні мембран, який, відповідно до першого закону електрофізіології Германа, у спокої є позитивним. Так створюється різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнею мембрани, утворюється МПС.

При збудженні МПС зменшується. Це зменшення МПС при збудженні тканини, від якої він відводиться, називається негативним коливанням потенціалу спокою, або потенціалом дії, який позначається ПД. Таке зменшення МПС можна пояснити за формулою: сила струму (J) прямо пропорційна різниці потенціалів (Е) і обернено пропорційна опору (R): J= E/R.

Звідси випливає важливе, що сила струму може зменшуватися або за рахунок зменшення різниці потенціалів, або за рахунок підвищення опору. Опір тканини під час збудження не тільки не збільшується, але й дещо зменшується. Значне зменшення сили струму відбувається за рахунок зменшення різниці потенціалів. Різниця потенціалів може зменшитися за рахунок збільшення негативного заряду всередині клітини або за рахунок зменшення позитивного заряду на зовнішній поверхні мембрани. Негативність усередині клітини максимальна і більше підвищуватися не може, тому необхідно визначити, що відбувається зменшення позитивного заряду на поверхні мембрани і його зміна на негативний заряд. Отже, збуджена ділянка тканини електронегативна у відношенні до електропозитивної, не збудженої в даний момент ділянки. Це і є ІІІ закон електрофізіології. (ІІ закон: поверхня ушкодженої тканини має негативний заряд, І закон: зовнішня поверхня непошкодженої мембрани електропозитивна та ізопотенційна).

Потенціал дії

Для реєстрації ПД використовують 2 відведення: однофазне і двофазне. При однофазному відведенні один електрод розташовують на поверхні клітини, а другий — всередині клітини або на її ушкодженому місці. При двофазному відведенні обидва електроди розміщуються на поверхні клітини. Відповідно до розташування електродів отримують однофазний або двофазний ПД. При одночасному розташуванні електродів спочатку реєструється МПС. При диполярному відведенні спочатку немає відмінності потенціалів, тобто неушкоджена і незбуджена тканина, відповідно до І закону електрофізіології, є ізопотенціальною. Після нанесення подразнення і появи збудження виникає негативність спочатку під одним електродом, а потім, оскільки збудження поширюється, — під другим. Реєструється двофазний ПД.

Величина ПД нервових клітин ссавців 100–110 мВ, скелетних і серцевих м’язових волокон — 110–120 мВ.

Тривалість ПД нервових клітин — 1–2 мс, у скелетних м’язах 5–10 мс, у міокарді — понад 200 мс.

Природа ПД. Яким чином потенціал спокою, зазвичай підтримуваний на постійному рівні, порушується до такої міри, що виникає ПД?

Потенціал дії завжди виникає при деполяризації мембрани, тобто при втраті клітинною мембраною свого нормального заряду, приблизно до -50 мВ. Рівень потенціалу, при якому деполяризація дає початок потенціалу дії, називається порогом. При такому пороговому потенціалі заряд мембрани стає нестабільним; він порушується за допомогою внутрішнього механізму, який веде до реверсії полярності, швидкого наростання ПД до піка. Цей стан автоматичного прогресуючого порушення мембранного заряду називається збудженням. Звичайно збудження триває менше 1 мс. Воно подібне до вибуху — характеризується потужністю і швидким припиненням. Після фази деполяризації настає процес відновлення заряду мембрани, що відповідає стану спокою і називається реполяризацією.

Таким чином, ПД являє собою послідовну деполяризацію та ре-поляризацію мембрани — постійний для кожної клітини ауто­регенеративний процес, який включається, як тільки рівень деполяризації мембрани перейде на пороговий потенціал. Кожен тип клітин має постійний і характерний для даного виду часові параметри ПД. Він практично не залежить від частоти збудження клітини. Оскільки форма ПД постійна, вважають, що збудження перебігає за законом «все або нічого».

Механізм ПД

Виникнення ПД пов’язане з короткочасним збільшенням проникності мембрани для іонів Na⁺ з подальшим підсиленням дифузії цих іонів за концентраційним градієнтом всередині клітини. Отже, якщо ПС або МП зумовлений іонами К⁺, то ПД — зумовлений іонами Na⁺, тому МП називається калієвим, а ПД — натрієвим. Дифузія іонів натрію всередину клітини призводить до зменшення МП. Зменшення МП до деякої критичної величини (звичайно на 10–З0 мВ) викликає позитивний зворотний зв’язок, тобто зменшення МП нижче критичного рівня призводить до подальшого збільшення проникності мембрани для іонів Nа⁺, що супроводжується лави­ноподібним підсиленням дифузії натрію всередину клітини. Поси­лений потік позитивно заряджених іонів Nа⁺ всередину клітини викликає спочатку зникнення надлишкового негативного заряду, а потім призводить до перезарядження мембрани: відбувається ре­версія МП — зовнішня поверхня мембрани стає негативною по відношенню до внутрішньої. Настає фаза деполяризації, яка й призводить до виникнення короткочасного, спрямованого всереди­ну клітини висхідного струму, що графічно відповідає за часом висхідній фазі ПД. Важлива роль Na⁺ в походженні ПД підтверджу­ється експериментальними даними про те, що ПД можуть генерува­тися тільки за високої зовнішньоклітинної концентрації Nа⁺. При нестачі зовнішньоклітинного Nа⁺ не може збільшуватися вхідний струм Nа⁺ незалежно від того, в якій мірі зростає К⁺ (градієнт Nа⁺), а отже не може виникнути деполяризаційна фаза ПД.

Другий етап виникнення ПД пов’язаний із більш тривалим періодом підвищеної проникності мембрани для іонів К⁺ і поси­ленням дифузії цих іонів з клітини назовні. Збільшення іонного потоку К⁺ призводить до зменшення проникності мембрани для іонів Na⁺ і зменшення їх потоку. Внаслідок цього потік Nа⁺ всередину клітини різко знижується, а для К⁺ зростає. Це призводить до появи більш тривалого вихідного струму, який відповідає фазі реполяризації, тобто відновлення полярності мемб­рани, і за часом відповідає нисхідній фазі ПД. Отже, реполяризація мембрани відбувається не внаслідок зворотного перемі­щення іонів Nа⁺, а внаслідок виходу з клітини еквівалентної кількості іонів К⁺. Якщо підвищенню провідності для К⁺ запобігти деякими речовинами, наприклад тетраетиламонієм, мембрана після ПД реполяризується набагато повільніше. Це свідчить про те, що підвищення провідності для К⁺ є важливим фактором реполяризації мембрани.

Отже, ПД зумовлений циклічним процесом входу Nа⁺ в клітину і наступного виходу К⁺.

Сьогодні на молекулярному рівні інтенсивно вивчаються ті канали, якими рухаються іони Nа⁺ і К⁺ після появи ПД. Ці іонні канали специфічні й відрізняються від звичайних механізмів трансмембранного переносу іонів, з якими ви знайомі з курсу біології та медичної фізики. Іонний канал складається з власне транспортної системи так званого ворітного механізму («воріт»).

Останніми роками увагу дослідників було прикуто до проблеми молекулярних механізмів, швидкої Nа⁺-системи. Розв’язанню цієї проблеми сприяло відкриття такої речовини, як тетродотоксин (синтезується в тканинах деяких риб і саламандр), який у концентраціях 10^-10–10^-7 ммоль/л специфічно пригнічує або блокує швидку Nа⁺-систему. Молекула тетродотоксину блокує тільки вхід в Nа⁺-канал, причому незаблоковані канали залишаються інтактними. Зважаючи на це, можна підібрати концентрацію тетродоксину, який блокує половину каналів, і визначити кількість каналів на одиницю площі мембрани. Відповідно до таких розрахунків, існує приблизно 50 Nа⁺-каналів на 1 мкм мембрани, тобто канали розташовані в середньому на від­стані 140 нм один від одного. Пора каналу відкривається тільки на короткий час, оскільки через 1 мс настає інактивація.

Ворота можуть знаходитися в двох положеннях: вони повністю закриті або ж повністю відкриті. Потенціал дії виникає тоді, коли у відповідь на підпорогову деполяризацію на короткий час відкриваються «ворота» для Nа⁺. Підвищення проникності для Na⁺ триває лише дуже короткий час. Потім проникність для Nа⁺ знову знижується. Процес, що веде до зниження раніше збільшеної натрієвої проникності, називається натрієвою інактивацією. Потім відразу ж відчиняються «ворота» для К⁺, які залишаються відкритими доти, доки не відновиться ПС.

Властивості отенціалу дії

Першою властивістю ПД є те, що його амплітуда не залежить від сили подразнення, тобто від величини деполяризації. Якщо деполяризація досягає критичного рівня, то виникає ПД постійної величини незалежно від того, чи в подальшому підсилюватиметься подразнення і чи стане тривалішим. Ця властивість відома у фізіології у вигляді правила «все або нічого». Причиною такої властивості ПД є те, що він зумовлений клітинною реакцією, яка сама себе підтримує і має, як вважають, ауторегенеративний характер. Подразнення є тільки запускаючим моментом, поштовхом для внутрішньоклітинного механізму, який генерує ПД.

Другою властивістю ПД є рефрактерність. Викликати другий ПД відразу ж після виникнення першого неможливо. Якщо мембрана подразнюється відразу ж після ПД, збудження не виникає, ні при значенні подразнення, що відповідає порогу для попередньо­го ПД, ні за будь-якого сильнішого подразнення. Такий стан повної незбудливості, який у нервових клітинах триває 1 мс, називається абсолютним рефрактерним періодом. Після нього настає відносний рефрактерний період, коли шляхом значного подразнення можна все ще викликати ПД, хоча його амплітуда буде знижена порівняно з нормою. Рефрактерність зумовлена інактивацією Nа-системи під час попереднього ПД. Хоча при реполяризації мембрани стан інактивації минає, таке відновлення є поступовим процесом, що триває протягом декількох секунд, протягом яких Nа-система ще не здатна активізуватися.

Значення. Абсолютний рефрактерний період обмежує максимальну частоту генерації ПД. Наприклад, якщо абсолютний рефрактерний період завершується через 2 мс після початку ПД, клітина може збуджуватися з частотою максимум 500 в с, а якщо триває 500 мс, то 2 в с. З другої властивості ПД випливає його третя властивість — ритмічний характер.

Четверта — здатність ПД залишати після себе тривалі слідові зміни збудливості. В основі зміни збудливості при слідових процесах лежать зміни електричної поляризації мембрани. Так, після закінчення ПД має місце невелика слідова деполяризація, а потім мембрана клітини виявляється гіперполяризованою.

П’ята властивість ПД — здатність до самопоширення (само розповсюдження). Поширюється ПД вздовж мембрани. Він може ви­никати і розповсюджуватися і в тому разі, якщо замінити протоплазму штучним сольовим розчином. Поширення ПД зумовлене виникненням локальних струмів, що циркулюють між збудженою і незбудженою ділянкою клітини. В момент збудження мембрана має негативний потенціал. У результаті цього між збудженою і незбудженою ділянкою є різниця потенціалів, яка призводить до появи локальних струмів. На поверхні мембрани клітини цей струм тече від незбудженої ділянки до збудженої, а всередині — від збудженого до незбудженого (тобто в зворотному напрямку). Локальний струм здійснює подразливу дію на сусідні незбуджені ділянки мембрани. Це призводить до збільшення її проникності, пониження МП і появи ПД. Ця ділянка в свою чергу стає електронегативною, і локальний струм, що виникає в ній, подразнює наступну за нею ділянку. Під впливом локальних струмів ПД поширюється без затухання, оскільки вони тільки деполяризують мембрану до критичного рівня, а ПД у кожній окремій ділянці мембрани підтримується незалежними іонними потоками.

В нервових волокнах характер поширення ПД залежить від наявності чи відсутності в них мієлінових оболонок. У безм’якотних немієлінізованих волокнах ПД поширюється безперервно вздовж всієї мембрани. Всі ділянки мембрани при цьому у відповідний час стають збудженими. В м’якотних (мієлінових) волокнах, в яких мієлінові сегменти перериваються перехоплен­нями Ранв’є, ПД поширюється від одного перехоплення до іншого, стрибкоподібно, оскільки тільки в цих місцях мембрана електрично активна. Саме в перехопленнях Ранв’є волокна сконцентровані потенціалозалежні Na⁺-канали. Так, кількість Na⁺-каналів на 1 мкм² поверхні мієліну становить 20–25, у ділянці перехоплення Ранв’є — 2000–12 000 і 25 — у терміналах аксона. Локальні струми в мієлінових волокнах циркулюють тільки між перехопленнями Ранв’є. Потенціал дії ніби перестрибує. Такий спосіб поширення називається сальтаторним. У результаті сальтаторного способу поширення ПД у м’якотних волокнах приблизно в 10 разів вищий, ніж у безм’якотних.

Швидкість поширення ПД ще залежить від часу заряду місткості мембрани, який визначається ємністю мембрани і величиною повздовжнього опору цитоплазми. Швидкість поширення ПД по нервових волокнах зростає з підвищенням діаметра волокна, оскільки з підвищенням діаметра зменшується опір, що припадає на одиницю довжини волокна.

В ПД розрізняють 2 частини — високовольтну або спайк (пік ПД) і низьковольтну частину. Пік ПД має висхідну і низхідну фази. Потенціал дії має кілька фаз. Починається ПД дуже швидким зрушенням у позитивному напрямку — фазою наростання, або висхідною фазою, яка триває лише 0,2–0,5 мс.

Під час висхідної фази мембрана втрачає свій нормальний заряд, або «поляризацію», тому фазу наростання називають також фазою «деполяризації». Як правило, деполяризація переходить за нульову лінію і мембранний потенціал стає позитивним. Ця по­зитивна фаза ПД називається «овершут». Низхідна фаза (за тривалістю в 2 рази перевищує висхідну) відповідає реполяризації мембрани. Низьковольтна частина ПД вперше була зареєстрована Д. С. Воронцовим, відомим фізіологом, який багато років працював у Київському НДІ фізіології ім. О. О. Богомольця. Ця частина складається з слідової деполяризації (негативний слідовий потенціал) і слідової гіперполяризації (позитивний слідовий потенціал). Амплітуда слідових потен­ціалів не перевершує кількох мВ, а тривалість може доходити до сотень мілісекунд. Слідові потенціали реєструються тільки при однофазному відведенні.

Пік ПД відповідає за часом рефрактерності: висхідна фаза — абсолютному, а низхідна — відносному її періоду. Слідова негативність відповідає за часом періоду екзальтації, а слідова позитивність — періоду субнормальності.

Оскільки біоелектрична активність відображає процес збудження, то її реєстрація має велике теоретичне і практичне значення. Електрична активність є показником збудження. Тому за реєстрацією ПД можна судити про швидкість поширення імпульсу. Звичайно, для цього використовують двофазний ПД. Визначають час між фазами і відстань між електродами. За цими двома величинами розраховують час поширення нервового імпульсу. Можна використати і однофазне відведення. Якщо на запису ПД відмітити момент нанесення подразнення, то можна визначити тривалість латентного періоду.

Потенціал дії має велике біологічне значення: забезпечує поширення нервового імпульсу вздовж волокна, передачу збудження в синапсах тощо. Деякі організми тварин (електричні вугри, скати та ін.) використовують електричний заряд як зброю нападу і захисту. Потенціал дії має велике практичне значення в клінічній медицині. Про місце виникнення і поширення збудження в серці судять за ЕКГ, можливість реєстрації якої зараз є в кожній лікувальній дільниці. В клінічній практиці широко використовується реєстрація ПД м’язів — ЕМГ, шлунка — ЕГГ тощо. В Інституті очних хвороб і тканинної терапії ім. В. П. Філатова АМН України є кабінет електроретинографії, в якому реєструється ПД сітківки ока.

Крім ПС і ПД, у живих тканинах наявні:

1. Постсинаптичні потенціали — виникають у синапсах.

2. Рецепторні потенціали — реєструються в рецепторах.

3. Секреторні потенціали — виникають на мембранах секреторних клітин.

Закони подразнення збудливих тканин

І. Закон градієнта сили.

II. Закон «все або нічого».

III. Залежність відповідної реакції від стрімкості наростання сили подразнення.

IV . Залежність відповідної реакції від часу дії подразника.

Закон «все або нічого»

При вивченні залежності ефектів подразнення від сили прикладеного стимулу був установлений закон «все або нічого». Відповідно до цього закону, підпорогові подразнення не викликають збудження («нічого»), при порогових же стимулах збудження відразу ж набуває максимальної величини («все») і вже не збільшується при подальшому посиленні подразнення.

Ця закономірність вперше була відкрита Боудичем (1871) при дослідженні серця, а в подальшому підтверджена і на інших збудливих тканинах. Англійські фізіологи піддали закон градації сумніву щодо того, що ця градація вдавана.

Тривалий час закон «все або нічого» неправильно викладався як загальний принцип реагування збудливих тканин. Припускали, що «нічого» означає повну відсутність відповіді на підпороговий стимул, а «все» розглядали як прояв повного вичерпання збудливим субстратом його потенціальних можливостей. Скорочення прирівняли до вибуху порога, вибух не залежить від того, чим підпалити. В Росії цей закон зустрів критику з боку Введенського, Павлова. Наступні мікроелектродні дослідження показали, що ця точка зору не відповідає дійсності.

Виявилося, що при силі подразнюючого стимула, близького до порогу, в безпосередньо подразнюючій ділянці виникає місцеве, не здатне до поширення збудження — локальна відповідь.

Крім того, виявилося, що «все» також не характеризує того максимуму, якого може досягти ПД нервового і м’язового волокна. В живій клітині перебігають процеси, які активно зупиняють розвиток деполяризації мембрани. Це, по-перше, процес інактивації, що призводить до зниження проникності для іонів Na⁺ і, по-друге, процес, що зумовлює збільшення проникності для іонів К⁺.

Якщо під впливом будь-яких дій на нервове волокно (наприклад, місцевих анестетиків — новокаїну, міорелаксантів, деяких отрут, наркотиків, гіпоксії) послабити вхідний натрієвий струм, що забезпечує генерацію ПД, то воно перестає підкорятися правилу «все або нічого»; амплітуда ПД залежить від сили стимулу — що подразнення сильніше, то амплітуда відповіді вища.

Істотний вплив на збудливість здійснюють агенти, які змінюють концентрацію Са²⁺. Підвищення концентрації Са²⁺ по­легшує активація Na⁺- системи. При зниженні концентрації Са²⁺ поріг деполяризації стає негативнішим, наближаючись до потенціалу спокою. Звідси випливає, що коли концентрація Са²⁺ понижується, збудливість зростає, а коли концентрація Са²⁺ підвищується, клітина стає менш збудливою. Таке підвищення збудливості лежить в основі синдромів тетанії та інших станів, пов’язаних з дефіцитом Са²⁺ в крові, виникають мимовільні м’язові скорочен­ня і судоми.

Подібні з Са²⁺ ефекти проявляють серцеві глікозиди, деякі антиаритмічні препарати. В основі дії цих препаратів лежить зниження збудливості тканини в результаті впливу на інактивацію Na⁺-системи і генерацію ПД.

Тому «все або нічого» розглядається не як загальний закон реагування збудливих тканин, а лише як правило, яке характеризує особливості поширення ПД.

Роль фактора часу в процесах подразнення і збудження

Дюбуа-Реймон зробив дослід: брав нервово-м’язовий препарат і подразнював його через реохорд постійним струмом від акумулятора. Визначив поріг подразнення: повзунок реохорда на 5 см (20 мВ) — замикаючий струм. Якщо установити повзунок на «0» і поступово повільно повзунком максимально збільшувати силу струму, нерв можна перепалити, а збудження (тобто скорочення м’яза як показник) не одержимо. Так було встановлено, що має значення не тільки сила струму, але й ступінь його зростання. Це закон Дюбуа-Реймона.

Дюбуа-Реймон (1848) сформулював закон подразнення: подразнююча дія струму не залежить від абсолютного значення сили або щільності струму, а залежить від швидкості зміни інтенсивності струму в часі.

Доведено: швидка зміна сили струму — це подразнюючий ефект; повільне зростання або спадання сили струму — ефекту немає.

Із закону випливає два висновки:

1) постійному струму при проходженні через тканини не властива подразнююча дія;

2) час проходження струму після досягнення певної величини не має значення для виникнення імпульсу збудження.

Перше положення закону — відсутність збудження при проходженні постійного струму — відзначав ще Вольт.

Друге положення, в якому не враховується час дії струму, виявилося неправильним. Цей закон панував дуже довго, підтримуваний авторитетом Дюбуа-Реймона, тимчасом як він невірний.

Експериментальні дослідження на повільно реагуючих ткани­нах показали, що чим слабкіший струм, тим триваліший час він повинен діяти на тканину, щоб викликати ефект. Так, наприклад, дані дослідів швейцарського фізіолога Фіка (1863) на сечоводах показали співвідношення між часом подразнення і порогом постійного струму.

Таблиця 1