Физиология клетки

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.