ЗАКОНЫ РАЗДРАЖЕНИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

Условия эволюции живых существ определили их отношение к разнообразным раздражителям и развитие преимущественной чувствительности к наиболее существенным из них. Так, для простейших в естественных условиях основными раздражителями являются химическое воздействие диффундирующих питательных веществ и термическое, вызывающее движение к источнику пищи и в зону температурного оптимума. У высокоорганизованных животных развиваются специализированные рецепторы, особо чувствительные, например, у рыб к механическому раздражителю – вибрациям воды, означающим движения врага или добычи, у птиц – к световому раздражителю, у хищных млекопитающих – к запахам, позволяющим находить добычу. Рецепторы сетчатки глаза обладают наибольшей чувствительностью к свету, вкусовые рецепторы — к химическим веществам. Раздражители, к действию которых ткани органов и специализированные рецепторы приспособлены исторически (эволюционно) называются адекватными.Однако раздражение этих тканей и рецепторов можно вызвать, применяя и другие раздражители, которые обозначаются как неадекватные.Для того чтобы неадекватный раздражитель оказал свое действие, он должен развивать энергию во много раз большую, чем требуется при действии адекватного раздражителя. Достаточно сравнить энергию кванта света, необходимую для адекватного раздражения фоторецептора глаза и неадекватную механическую энергию удара, требуемую для того, чтобы «искры из глаз посыпались».

Электрический раздражитель неадекватен для всех тканей и рецепторов, кроме электрорецепторов некоторых рыб. Тем не менее, он вызывает раздражение любой ткани и любого рецептора, затрачивая гораздо меньшую энергию, чем другие неадекватные раздражители, и поэтому приближается к естественным. Эти особенности электрического раздражителя объясняются тем, что процессы раздражения и возбуждения связаны с перемещением ионов, определяющих структуру и свойства поляризованных мембран клетки, и электрический ток, создавая искусственно потоки ионов, видимо, сравнительно легко включает пусковые звенья механизма раздражения. Кроме того, электрический раздражитель легко дозиро­вать по силе, длительности, частоте и крутиз­не нарастания силы. Благодаря этим особенностям электрический раздражитель широко применяют в физиологических экспериментах, а также в клинической практике как с диагностической, так и с ле­чебной целями.

Основными характеристиками раздражителя, от которых зависит эффективность его действия на ткань, являются:

- сила;

- крутизна нарастания силы;

- длительность действия;

- частота стимуляции – количество раздражающих стимулов в единицу времени.

1.3.1.Значение силы раздражителя для возникновения возбуждения

По силераздражители делятся на пороговые, подпороговые и сверхпороговые.

Пороговый потенциал (ΔV) — это мини­мальная величина, на которую надо умень­шить мембранный потенциал покоя, чтобы вызвать возбуждение (ПД). ΔV и возбуди­мость клеток находятся в обратных соотно­шениях: небольшая величина ΔV свидетель­ствует о высокой возбудимости клетки. Если, например, уменьшение мембранного потен­циала (частичная деполяризация) на 5—10 мВ вызывает возникновение ПД, то возбу­димость клетки высока. Напротив, большой ΔV (30—40 мВ) свидетельствует о более низ­кой возбудимости клетки. Однако во всех случаях ПД возникает только при достиже­нии критического уровня деполяризации клеточной мембраны (Е_кр.).

Критический уровень деполяризации Екр, (КУД) — это минимальный уровень деполя­ризации клеточной мембраны, при которой возникает ПД. Дальнейшее раздражение клетки и искусственное снижение ПП ниче­го не изменяют в процессе возникновения ПД, поскольку деполяризация клетки, до­стигнув критического уровня, сама по себе ведет к открытию потенциалзависимых m-ворот Na-каналов, в результате чего Na⁺ уст­ремляется в клетку, ускоряя деполяризацию независимо от действия раздражителя. Кри­тический уровень деполяризации клеточной мембраны обычно составляет около —50 мВ. При величине ПП, например, —60 мВ (Е₀) деполяризация — уменьшение ПП на 10 мВ приведет к достижению Екр. (—50 мВ) и воз­никнет ПД. Если ПП равен —90 мВ, то для вызова ПД надо снизить ПП на 40 мВ. В пос­леднем случае возбудимость клетки значи­тельно ниже.

Таким образом:

∆V = E₀ - Eкр.

Величина ПП изменяется в различных ус­ловиях деятельности клетки, вследствие этого колеблется и ее возбудимость, напри­мер при изменении концентрации Са²⁺, рН среды. Когда концентрация Са²⁺ в среде по­вышается, клетка становится менее возбуди­мой, поскольку возрастает мембранный по­тенциал, вследствие чего Е0 удаляется от Екр, а когда концентрация Са²⁺ снижается, возбу­димость клетки возрастает, так как мембран­ный потенциал уменьшается, Е₀ приближает­ся к Екр.. Такое повышение возбудимости лежит в основе синдрома тетании, связанно­го с дефицитом Са²⁺ в крови. Изменения содержания ионов Н⁺ в среде действуют на возбудимость нейронов так же, как изменения концентрации Са²⁺, что в обоих случаях объясняется изменением величины Е₀. Однако если мембранный по­тенциал снижается медленно ниже Екр. (-50 мВ), например, в условиях гипоксии, при действии миорелаксантов типа сукцинилхолина, то клетка становится невозбудимой вследствие инактивации Na⁺-каналов и не­возможности достичь Екр.

Несмотря на то что ∆V является наиболее точным показателям состояния возбудимости клетки, используется он в эксперименте из-за сложности процедуры реже, чем другие показатели. Чаще всего возбудимость оцени­вается по пороговой силе раздражителя.

Пороговая сила — это наименьшая сила раздражителя, способная вызвать возбужде­ние (ПД) при неограничении ее действия во времени (рис. 4). Сила раздражителя — по­нятие собирательное, оно отражает степень выраженности раздражающего воздействия стимула на ткань. Например, сила электри­ческого тока выражается в амперах (А), тем­пература среды — в градусах Цельсия (°С), концентрация химического вещества — в миллимолях на 1 л (ммоль/л), сила звука — в децибелах (дБ) и т.д. При использовании в ка­честве раздражителя электрического тока предложенное определение пороговой силы совпадает с понятием «реобаза». Реобаза — на­именьшая сила тока, способная вызвать им­пульсное возбуждение. Если возбудимость тка­ни высока, пороговая сила раздражителя ма­ла. Чем выше возбудимость, тем ниже порого­вая сила. Большая пороговая сила свидетель­ствует о низкой возбудимости ткани. При внутриклеточном раздражении пороговая си­ла электрического тока для различных клеток равна 10^-7—10^-9 А.

После получения в ответ на пороговое раздражение потенциала действия, увеличение интенсивности раздражения не сопровождается увеличением его амплитуды. При этом лишь уменьшается латентный (скрытый) период возникновения возбуждения. При сверхпороговых раздражениях потенциал действия развивается без латентного периода и электротоническая деполяризация мембраны сливается с его восходящим коленом. Независимость амплитуды потенциала действия от силы раздражителя при определенном функциональном состоянии волокна известна под названием закона «все или ничего».

В соответствии с этим законом, подпороговые раздражители не вызывают потенциала действия («ничего»); при пороговом раздражении генерируется потенциал действия максимальной амплитуды («все»), после этого (при сверхпороговых раздражениях) амплитуда потенциала действия не увеличивается при увеличении силы раздражителя.

Закон «все или ничего» открыт Боудичем (1871) при исследовании сократительных свойств сердечной мышцы и был использован Готчем (1902) для объяснения генерирования потенциалов действия нерва лягушки. Позже с позиций закона «все или ничего» расценивалась деятельность все большего количества тканей и органов, а закон интерпретировался как общий принцип деятельности возбудимых тканей. Считалось, что «ничего» означает полное отсутствие ответа на подпороговые раздражения, а «все» рассматривалось как проявление полного исчерпания возбудимым образованием его потенциальных возможностей.

В действительности возбудимые образования реагируют на подпороговые стимулы локальным возбуждением, электрическим проявлением которого является описанный ранее локальный ответ. Необходимо отметить также, что амплитуда потенциала действия не является абсолютно постоянной и зависит от множества факторов даже в физиологических условиях организма (утомление, различные онтогенетические периоды).

При медленно нарастаю­щей силе раздражителя возбуждение может не возникнуть даже при достижении большой его силы, значительно превосходящей по­роговую. Это свидетельствует о том, что воз­будимость ткани в таких условиях уменьшает­ся — возникает явление аккомодации.

1.3.2.Роль крутизны нарастания силы раздражителя в возникновении возбуждения

Другая важная закономерность касается соотношения между пороговой силой раздражения и скоростью его нарастания. Дюбуа – Реймоном (1848) был установлен закон, согласно которому раздражающее действие электрического тока тем сильнее, чем быстрее он нарастает. Пороги раздражения самые низкие при раздражении прямоугольными электрическими импульсами.

Если раздражать возбудимую структуру электрическими импульсами, сила которых нарастает линейно, то пороги оказываются повышенными и тем в большей степени, чем медленнее увеличивается сила тока. Ток, крутизна нарастания силы которого достигает определенной минимальной величины, остается неэффективным для возникновения возбуждения, даже если он значительно превышает реобазу. Т.о. слишком медленно нарастающие токи вообще могут не вызывать возбуждения.

Явление повышения порога с уменьшением крутизны нарастания раздражающего тока Нернстом (1908) было названо аккомодацией.Таким образом, раздражитель, чтобы оказать возбуждающее действие, должен достичь пороговой силы со скоростью, превышающей скорость развития аккомодации в данной ткани.

Главной при­чиной аккомодации является инактивация Na-каналов, возникающая при медленной деполяризации клеточной мембраны — в те­чение 1с и более. Клетка теряет возбуди­мость, если закрывается около 50 % инактивационных h-ворот (в покое h-ворота в основном открыты, закрыто около 20 %). Меньшую роль играет активация К-каналов. Возникающая частичная деполяризация клетки при медленно нарастающей силе сти­мула ведет к уменьшению мембранного по­тенциала. Поэтому если и возникает ПД при дальнейшем резком увеличении силы раздра­жителя, то его амплитуда мала. Аккомодация развивается, например, в клетках ЦНС, когда они деполяризуются при суммации медленно нарастающих синаптических потенциалов. Скорость развития аккомодации у разных тканей различна, она зависит, как и скорость возникновения ПД, от скорости активации и инактивации ионных каналов, в первую оче­редь инактивации Na-каналов. Таким обра­зом, аккомодация характеризует не возбуди­мость ткани, а изменение возбудимости ткани при действии плавно нарастающего раздражителя. Поэтому при определении воз­будимости ткани в качестве раздражителя не­обходимо использовать прямоугольные им­пульсы. В этом случае скорость нарастания стимула и активация Na-каналов опережают скорость аккомодации (инактивации Na-ка­налов), что и приводит к возникновению ПД.

Значение крутизны нарастания силы раздражителя проявляется не только при электрическом, но и при химическом, механическом, термическом и других раздражениях. Поэтому, например, отравление газом может произойти, когда он накапливается в помещении, не обнаруживая себя запахом.

1.3.3.Роль длительности действия раздражителя в возникновении возбуждения

Раздражитель даже пороговой силы, нарастающий с достаточной крутизной может оказаться неэффективным, если он действовал в течение менее нужного времени. Следовательно, важным условием, обеспечивающим возник­новение возбуждения при действии раздра­жителя, является его длительность.

Поэтому для оценки свойств возбудимой ткани вво­дится еще одно понятие — пороговое время. Пороговое время — это минимальное время, в течение которого должен действовать на ткань раздражитель пороговой силы, чтобы вызвать ее возбуждение (см. рис. 4— проек­ция точки А на абсциссу). Пороговое время называют также полезным временем, так как раздражитель обеспечивает деполяризацию только до критического уровня (Е_кр.). Далее ПД развивается независимо от действия раз­дражителя, дальнейшее раздражение уже ста­новится ненужным — бесполезным. Величина полезного времени показывает срок, в течение которого раздражитель пороговой силы успевает вызвать местные сдвиги и довести их до критического значения.

При уменьшении длительности действия тока необходимо увеличивать его силу, чтобы сохранить эффективность раздражения. Таким образом, полезное время находится в обратной зависимости от силы тока (раздражителя). Эту зависимость изображают графически, откладывая на абсциссе время, а на ординате – силу тока. Графическая зависимость между длительностью и силой порогового раздражения называется кривой силы – времени(см. рис.4). Впервые такую кривую получил Гоорвег (1892) при исследовании возбудимости скелетных мышц человека, а позже – Вейс (1901) на нервно-мышечном препарате лягушки.

Измерение полезного времени для оценки временных характеристик возбудимости ткани, ее подвижности, затрудняется необходимостью уловить переход от пороговой, т.е. минимальной реакции к полному ее отсутствию (пологая часть кривой, см. рис. 4). Поэтому практическое применение и широкое распространение в экспе­рименте и клинической практике получило измеряемое для этой цели полезное время тока удвоенной пороговой силы -_хронаксия. Хронаксия (Л.Лапик, 1926)— наименьшее время, в течение которого должен действовать ток в две реоба­зы, чтобы вызвать возбуждение (см. рис.4— проекция точки Б на абсциссе). Хронаксия соответствует более крутой части кривой си­ла — время, она колеблется от сотых долей до сотен миллисекунд.

Хронаксия характеризует скорость возникновения возбуждения и в определенной степени лабильность, так как чем быстрее возникает возбуждение, тем быстрее «оно протекает» в целом. Чем больше хронаксия, тем медленнее реагирует ткань возбуждением – длительность потенциала действия и рефрактерности больше, а лабильность ниже.

Хронаксия – динамический показатель функционального состояния возбудимых тканей: длятельное напряжение мышцы увеличивает ее хронаксию, т.е. делает менее подвижной; болевое раздражение уменьшает хронаксию рецепторов кожи в месте его действия, т.е. повышает их подвижность; общее охлаждение тела, увеличивая хронаксию, снижает их подвижность.

Измерение хронаксии (хронаксимерия) в клинической практике позволяет уточнить ха­рактер повреждений мышцы при травмах. В норме определяется фактически хронаксия нервных волокон, так как возбудимость их выше. В случае повреждения нерва и его пере­рождения определяют истинную хронаксию мышцы, которая намного превышает таковую до травмы.

Из графика (см. рис.4 - правая часть) также следует, что, если для получения воз­буждения использовать раздражитель по амп­литуде меньше реобазы, возбуждение ткани не возникнет даже в том случае, если время его действия будет бесконечно большим. С другой стороны, если для получения воз­буждения использовать раздражитель, дли­тельность которого будет меньше некоторого критического интервала (левая часть графи­ка), возбуждение ткани также не будет полу­чено даже в том случае, если сила раздражите­ля будет бесконечно большой. Поэтому высо­кочастотный переменный ток (>10 кГц) – ток Д,Арсенваля - опас­ности для организма не несет: при сверхко­ротком воздействии на ткань импульс элек­трического тока дает лишь тепловой эффект, что используется в клинической практике для глубокого прогревания тканей при различных патологических процессах. Переменный ток высокой частоты не вызывает возбуждения потому, что его полупериоды слишком коротки для того, чтобы изменить мембранный потенциал, так как небольшой эффект действия каждого полупериода нивелируется последующим полупериодом, во время которого ток имеет противоположное направление. Иначе говоря, изменения мембранного потенциала не успевают за измененияминаправлений высокочастотного тока.

Электрический ток с частотой от 0,5 до 1 мГц также может ис­пользоваться в лечебных целях, в основном для прогревания тканей.

Низкочастотный переменный синусоидальный ток (50 Гц) сти­мулирует возбудимые ткани. Стимулы сину­соидального тока частотой 50 Гц большого на­пряжения опасны для жизни: они могут вы­звать фибрилляцию сердца с летальным исхо­дом (относительный рефрактерный период миокарда представляет собой в этом случае фазу повышенной уязвимости).

Возникает вопрос о природе фактора времени в раздражении. Полезное время раздражения при определенной силе тока зависит от скорости кателектротонической деполяризации мембраны, обусловленной величиной постоянной времени мембраны (τ = R_м ^. С_м ). Хронаксия нервных волокон меньше, чем мышечных именно потому, что постоянная времени мембраны мышечных волокон больше, чем нервных.

При одинаковой постоянной времени мембраны полезное время зависит от скорости нарастания амплитуды локального потенциала, который вместе с кателектротоническим потенциалом принимает участие в развитии критической деполяризации. Развитие локального потенциала зависит от постоянной времени молекулярных механизмов, ответственных за активацию натриевой проницаемости мембраны.

Таким образом, величина фактора времени в раздражении обусловлена скоростью протекания пассивных и активных мембранных процессов, которые обеспечивают критическую деполяризацию.

1.3.4. Роль частоты стимуляции в возникновении возбуждения

Наличие рефрактерности определяет максимальную частоту генерирования возбудимыми структурами потенциалов действия, для характеристики которой Н.Е.Введенским(1901) было предложено понятие лабильности или функциональной подвижности. Таким образом,лабильность можно определить как скорость протекания одного цикла возбуждения, т.е. ПД. Как видно из определения, лабильность ткани зависит от длительности ПД, Это озна­чает, что лабильность, как и ПД, определяет­ся скоростью перемещения ионов в клетку и из клетки, которая в свою очередь зависит от скорости изменения проницаемости клеточ­ной мембраны. При этом особое значение имеет длительность рефрактерной фазы: чем больше рефрактерная фаза, тем ниже лабиль­ность ткани.

Мерой лабильности является максимальное число ПД, которое ткань может воспроизвести в 1с без искажений. Если частота раздражения превышает величину лабильности, то возникает ее трансформация. Для воспроизведения возбудимой тканью импульсов без искажения интервал между раздражающими импульсами должен равняться или быть чуть больше длительности абсолютной рефрактерной фазы.

В эксперименте лабильность иссле­дуют с помощью регистрации максимального числа ПД, которое может воспроизвести клетка при увеличении частоты ритмическо­го раздражения.

Лабильность различных тканей сущест­венно различается. Так, лабильность нерва равна 500—1000, мышцы — около 200, нерв­но-мышечного синапса — порядка 100 им­пульсов в секунду.

Лабильность ткани пони­жается при длительном бездействии органа и при утомлении, а также в случае нарушения иннервации.

Лабильность может изменяться в ходе ритмического раздражения нерва или мышцы, так как в ритмическом ряду волны возбуждения взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие в одних случаях может приводить к падению лабильности, в других, напротив, — к ее повышению.

При постепенном увеличении частоты ритмического раздраже­ния лабильность ткани повышается, т.е. ткань отвечает более высокой частотой воз­буждения по сравнению с исходной часто­той. Это явление открыто А.А.Ухтомским и получило название усвоение ритма раздражения. Примером усвоения ритма может служить эксперимент Г.Мевеса на изолированном нервном волокне лягушки. Одиночное нервное волокно раздражали ритмическими стимулами частотой 460 в секунду. На каждый стимул возникал потенциал действия. Затем повышали частоту стимуляции до 740 в секунду. Вначале волокно отвечало только на каждый второй стимул, т.е. происходила трансформация ритма раздражения. Однако после нескольких секунд такого раздражения волокно начало усваивать навязанный ему ритм, и частота ответов повысилась до 740 импульсов в секунду. Усвоение ритма связано с убыстрением тех процессов обмена веществ, которые обеспечивают активное «выкачивание» из цитоплазмы в наружный раствор ионов Na⁺, проникших через мембрану во время возбуждения.

В то же время переход от умеренной (оптимальной) к чрезмерной (пессимальной) частоте или силе раздражения вызывает смену возбуждения торможением при обычном функциональном состоянии объекта.

Однако подобную смену возбуждения торможением можно получить при действии одного и того же раздражителя с характеристиками, оптимальными для здоровой ткани, если последнюю подвергнуть воздействиям, изменяющим функциональное состояние, в частности, снижающим ее лабильность. При этом развиваются явления, которым Н.Е.Введенский дал название — парабиоз. Парабиоз — состояние ткани, лабильность которой не удовлетворяет требованиям раздражителя, что затрудняет возникновение и распространение возбуждения.

По мере углубления парабиотического состояния раздражимость ткани проходит несколько стадий. Начальная уравнительная стадия состоит в том, что даже в пределах сил раздражения, обычных для интактной ткани, более сильные раздражители оказывают для парабиотического участка пессимальными, вызывают торможение и их эффекты уравниваются с эффектами от слабых раздражений. Следующая парадоксальная стадия наступает, когда парабиоз достигает степени, при которой относительно сильные раздражения оказываются настолько пессимальными, что становятся менее эффективными, чем слабые раздражения. Наконец, тормозная стадия характеризуется таким низким уровнем лабильности парабиотического участка, при котором каждое раздражение вызывает только торможение.

1.3.5.Действие постоянного тока на ткань (полярный закон раздражения)

При действии постоянного тока средней силы на ткань возбуждение возникает только в момент замыкания и в момент размыкания цепи — закон полярного действия тока [Пфлюгер, 1859]. Возбуждение возникает в момент замыкания под катодом, а в момент размыкания — под анодом. Это демонстри­руется в опыте на нервно-мышечном пре­парате лягушки с раздражением нерва, один участок которого умерщвлен. Один электрод устанавливают на умерщвленный, другой — на интактный участок нерва. Если интактного участка нерва касается катод, то возбужде­ние нерва и сокращение мышцы возникают только при замыкании цепи постоянного тока. Если интактного участка нерва касается анод, то мышца сокращается только при раз­мыкании электрической цепи. Описанные изменения возбудимости имеют место лишь при кратковременном действии постоянного тока. При длительном действии тока развиваются противоположные изменения возбудимости: под катодом повышение возбудимости сменяется ее уменьшением, а под анодом первоначально пониженная возбудимость постепенно повышается. Угнетение возбудимости длительным действием катода постоянного тока открыл Б.Ф.Вериго (1889), назвав ее катодической депрессией.