Ионные каналы
Нейроны, как и другие клетки, показывают разницу в электрическом напряжении (мембранный потенциал). Мембранный потенциал возникает из-за неравномерного распределения ионов по обеим сторонам мембраны . Некоторые ионы могут двигаться через мембрану быстрее других и движение ионов может быть различным в зависимости от разных обстоятельств (потенциал покоя и потенциал действия). Такая различная проницаемость реализуется благодаря специальным белкам, присутствующим в мембране плазмы — ионным каналам. Поток ионов через эти каналы делает возможным электрическую сигнализацию в нейронах.
Плазменная мембрана как конденсатор и резистор, подключенные параллельно
Плазменная мембрана клетки, оказывает сопротивление потоку ионов между внутриклеточными и внешнеклеточными компонентами. Можно считать мембрану резистором, с сопротивлением мембраны Rm, измеряемом в омах (Ω). В дополнение, липидный двойной слой обеспечивает очень тонкую изоляционную прослойку между двумя проводящими растворами. Это позволяет нам рассматривать мембрану также в качестве конденсатора, устройства, способного разделять и хранить электрический заряд. Емкость мембраны (Сm) меряется в фарадах (F). Таким образом, мы вполне можем описать электрические свойства двойной липидной мембраны в терминах эквивалентной электрической схемы, показанной на рис. 3-4.
Рис. 3-4. Пассивные электрические свойства плазменной мембраны. Плазменная мембрана, изображенная как резистор (Rm) и конденсатор (Cm), подключенные параллельно. b: изменение напряжения не происходит мгновенно. Vm, потенциал мебраны.
Показатель изменения напряжения — это функция от силы тока (I) и емкости мембраны (Cm), и может быть записана как dV/dt = 1Cm. Это потому что емкость мембраны может быть заряжена (или разряжена) до того, как изменится вольтаж, и это не случается мгновенно, это занимает какое-то время, определяемое мембранной временной константой, τ, равной произведению сопротивления и емкости: τ=RmCm Как мы видим из рисунка 3-4b, напряжение изменяется экспоненциально со временем (t) согласно уравнению: Vτ = Vnew – (Vnew – Vold)e-τ/r. Другими словами, напряжение падает на 1/е от изначального значения во время, равному одной временной константе. Временные константы в биологических мембранах варьируются в широких пределах. Непохожие константы могут отражать большую разницу в Rm от одного нейрона к другому и даже между отдельными участками мембраны одного нейрона. Такое разнообразие отражает разницу в типе, плотности и регуляции мембранных ионных каналов. При этом у разных нейронов ми видим весьма сложные паттерны эндогенной электрической активности в отсутствии внешней стимуляции. Временная константа, определяемая комплектом ионных каналов, играет важную роль в понимании того, что представляет собой эндогенная электрическая активность , а также в том, как клетки реагируют на внешние стимулы.
Потенциал действия
Все характеристики пассивного ответа мембраны, описанные выше, справедливы для любого стимула гиперполяризации и для слабых деполяризующих стимулов. (рис. 3-3).
Рис. 3-3. Пассивный ответ мембраны. Ток (I может быть направлен в клетку через электрод, а результирующее изменение потенциала мембраны (Vm) в отличие от потенциала покоя (Vr) может быть замерено на том же либо другом электроде.
Однако, совершенно другая ситуация наблюдается в случае сильной деполяризации.
С возрастанием силы деполяризации достигается критический порог, ниже которого наблюдается только пассивный ответ. Актуальное пороговое значение варьируется от нейрона к нейрону и даже на одном нейроне может быть разным в зависимости от дополнительных и регулирующих ионных каналов. Общая картина может быть обрисована как примерно от 10-20 mV деполяризованных Vr. Выше порога иногда наблюдаются большие изменения в Vm (продолжительностью несколько миллисекунд), накладывающиеся на пассивный ответ. Потенциал мембраны быстро деполяризуется, затем происходит медленное возвращение к потенциалу покоя (resting level). Заметьте, что Vm не стремится к нулю, но становится в районе 50 mV — и внутри клеточной мембраны это на короткое время создает позитивную разницу с внешнеклеточной средой.
Активный ответ мембраны при деполяризации, превосходящей пороговый уровень, называется нервным импульсом или потенциалом действия. Это и есть тот самый сигнал, отвечающий за передачу информации от одного нейрона к другому. Пороговый уровень необходим для того, чтобы слабые импульсы из различных областей мембраны не создавали потенциала действия. Только существенный стимул (большой амплитуды) может дать толчок к проведению сигнала за счет потенциала действия аксона. Другая важная особенность потенциала действия — в том, что это событие класса «все или ничего» (all or none). Это даже стало в какой-то степени законом аксональной сигнальной трансмиссии. Другими словами, если уж стимул оказался выше порогового значения, амплитуда ответа больше не отражает амплитуду стимула. Это очень важно в свете того, что информация о силе стимулирующего сигнала должна быть представлена (закодирована) в аксоне каким-то другим способом нежели амплитуда потенциала действия.
Также и амплитуда потенциала действия в общем независима от интенсивности стимула, а от многих других его параметров — зависима. В частности, латентность (задержка), временная задержка от зарождения стимула до его пика является функцией силы стимула. Чем сильнее стимул, тем короче задержка между стимулом и потенциалом действия. Отсюда мы можем видеть, что отношение «сила-задержка», вместе с другим феноменом, известным как рефрактерный период, позволяет кодировать силу стимула в терминах частоты потенциала действия аксона.
На несколько миллисекунд после включения потенциала действия невозможно включение еще одного потенциала действия, безотносительно значений деполяризации. Это значит, что аксон рефрактерен к стимулу в это время. За абсолютным рефрактерным периодом следует относительный рефрактерный период, когда стимул, возбуждающий потенциал действия, должен быть больше. Полезно размышлять о рефрактерном периоде в терминах порогового уровня (рис. 3-6). Во время абсолютного рефрактерного периода этот порог относительно стабилен, и никакой стимул не может не него воздействовать, независимо от своей силы. Во время относительного рефрактерного периода порог становится выше нормального и больший стимул может преодолеть его. Пороговый уровень возвращается к нормальному значению в течение определенного времени, как показано на рис. 3-6. Так как только превосходящий пороговый уровень стимул включает потенциал действия, кривая описывает силу стимула, необходимую для генерации вторичного потенциала действия как функцию от времени после первого потенциала действия. Механизм рефрактерного периода связан с со свойствами мембранных ионных каналов, отвечающих за генерацию потенциала действия.
Межнейронная коммуникация.
Щелевые соединения (gap junctions) и нейросекреция
В любом организме клетки должны каким-тот образом общаться между собой. Для клеток мозга это особенно важно, так это и есть их основная функция. Существуют три основные пути взаимодействия нервных клеток:
- прямой трансфер молекул и ионов из цитоплазмы одной клетки в цитоплазму другой клетки, это происходит за счет мембранных щелей;
- секреция химических веществ, действующих на другую клетку.;
- прямой физический контакт. В клетке могут происходить события, затрагивающие ее глубочайшим образом. Инициировать цепь таких реакций может взаимодействие мембраны клетки м мембраной соседней клетки.
Щелевые контакты, коннексины и электрические синапсы
Межклеточная коммуникация через щелевые контакты концептуально самая простая форма взаимодействия клеток. Маленькие молекулы и ионы одной клетки диффузируют через поры в плазме мембраны прямо в цитоплазму соседней клетки. Это поры могут быть визуализированы на электронном микроскопе и найдены в кластерах, иногда имеющих кристаллический вид. Для таких исследований придумана специальная технология «freeze fracture», допускающая слом замороженной мембраны . На таких снимках видны внутримембранные частицы, представляющие собой интегральные протеины мембран, такие как рецепторы или ионные каналы. На рисунке 8-2 представлены сплюснутые листки мембран с массивами частиц щелевых соединений. Эти частицы содержат протеины, формирующие поры от клетки к клетке.
Рис. 8-2 Freeze fracture частей щелевого соединения. а: Увеличение одного массива частиц. Некоторые частицы, маркированные стрелками, представлены на рисунке с (Kaczmarek et al. 1979).
Щелевые соединения в изобилии встречаются в таких тканях, как печень, в которых происходит очистка протеинов этих соединений. Такие протеины принято именовать коннексинами. Межмембранная пора вероятно, формируется комплексом из шести коннексинов в мембране. Чтобы связать пору с цитоплазмой соседней клетки, коннексины связываются с таким же гексаметрическим комплексом этой клетки (рис. 8-1).
Электрические свойства щелевых соединений во многих отношениях очень похожи на ранее рассмотренные нами ионные каналы. Кроме того факта, что через щель могут проходить большие молекулы, открытие и закрытие каналов для проникновения специфичных ионов через плазменную мембрану. Более того, электрические параметры таких двух клеток могут быть замерены (рис. 8-3). Когда потенциал одной из клеток становится более отрицательным, чем у клетки-соседа, ток течет через щель (пору) только пока открыт межклеточных канал. Проводимость открытого канала, например, в паре клеток сердца — около 50 pS.
Рис. 8-3 Одноканальная запись на щелевом соединении. В эксперименте, проводившимся Burt и Spray (1988) замерялся вольтах на различных потенциалах. Когда канал поры (gap junction) открыт, ток, который течет между клетками записывается как исходящий в клетке 1 и входящий в клетке 2.
Несмотря на повсеместное распространение пор–щелей gap junction, их биологическая роль в большинстве тканей до сих пор не очень понятна. Такие щели, вероятно формируются в большом количестве в процессе эмбрионального развития тканей, а затем разрушаются. Одна из ролей этих щелевых соединений — обеспечить клеточный обмен маленькими молекулами, важными для развития, а также молекулами вторичных мессенджеров, вовлеченных в нейрональную сигнализацию. Это, в свою очередь, позволяет группам клеток действовать как одно функциональное устройство. В нервный системе gap junctions имеют особое значение. Соединения клеток посредством таких пор часто называют электрическими синапсами, подмечая тот факт, что они вовлечены в быструю электрическую сигнализацию. Например, они позволяют группам нейронов синхронизировать электрическую активность. Однако, электрические синапсы между парой нейронов не всегда возбуждаются синхронно. В таких случаях роль щелевых соединений — регистрировать синаптические входные сигналы одного нейрона на соседнем нейроне.
Немного науки
Коротко о физиологии речи Зоны речи и афазии Транскортикальные афазии Подкорковые афазии Нарушения чтения и письма Жаргон как патология Язык, рисование и правое полушарие Об эмоциях Bottom-up и top-down процессы Нейроны