Глава 6. Механизмы регуляции возбудимости нейрона (Г. А. Вартанян)

I. Понятие возбудимости на уровне нейрона

Возбудимость является одним из основных свойств нервной системы и обычно определяется как способность реагировать на внешнее раздражение "распространяющимся возбуждением", т. е. нервным импульсом. Для того чтобы в нервной клетке возник распространяющийся импульс, она должна быть деполяризована до некоторой критической, или пороговой, величины. В условиях нормальной жизнедеятельности такая деполяризация возникает при активации возбуждающих синапсов как результат увеличения ионной проницаемости субсинаптических мембран (см. гл. 3). В искусственных условиях пороговую деполяризацию можно вызвать различными раздражениями: механическими, химическими, температурными; однако наиболее эффективен в этом отношении электрический ток ввиду его прямого деполяризующего влияния в районе катода и обратимости вызываемых им изменений субстрата.^* В связи с этим, а также благодаря возможности градуально менять интенсивность тока, для определения возбудимости нервных элементов обычно пользуются различными формами электрического раздражения.

^* (Речь идет о сравнительно небольших силах электрического тока.)

В этих условиях мерой возбудимости является интенсивность электрического раздражения, доводящего деполяризацию тела нейрона, его дендрита или аксона до пороговой величины, или, короче говоря, ток пороговой силы (порог). Поскольку показателем достижения порога раздражения является нервный импульс, то становится совершенно очевидной неразрывная связь возбудимости нервных элементов с их способностью генерировать распространяющиеся импульсы.^* С порогом нервного импульса связаны также количественные характеристики возбудимости. По существу возбудимость является обратной порогу величиной.

^* (Поскольку в главе 3 излагались данные, показывающие, что нервный импульс нельзя отождествлять с центральным возбуждением (ВПСП), создается известное семантическое несоответствие между понятиями возбуждения и возбудимости. К сожалению, это неизбежно в связи с традиционными представлениями о возбудимости, от которых трудно отказаться.)

Как уже указывалось в главе 3, нервные импульсы сами по себе не являются процессом центрального возбуждения. Они только передают от нейрона к нейрону (или эффектору) сведения о соотношении возбуждения и торможения в предыдущих звеньях нервной цени. Нервный импульс возникает только в постсинаптической мембране, обладающей свойствами проводящего электрогенеза. Субсинаптические участки мембраны нейрона не способны к генерации импульса и, по-видимому, электрически невозбудимы (Grundfest, 1957, 1959). Поэтому свойство возбудимости присуще только мембранам с проводящим электрогенезом и характеризует проводящую (или передаточную) функцию нейрона. Вообще такое свойство может иметь место только в пороговых системах, срабатывающих по достижении каким-то процессом (в данном случае деполяризацией) некоторой критической величины. Таким образом, возбудимость является неизбежным следствием возникновения проводящего электрогенеза в процессе эволюции. Однако до сих пор проводимость рассматривается некоторыми авторами как следствие возбудимости (Воронцов, 1961), в то время как на самом деле она является ее причиной.

Существование достаточного уровня возбудимости проводящих мембран является необходимым условием неискаженной передачи основных нервных процессов (возбуждения и торможения) в нейронных цепях, а следовательно, и возможности анализаторной и интегративной деятельности нервной системы. Поэтому возбудимость рассматривается как одно из ее кардинальных свойств. Что же лежит в основе того или иного уровня возбудимости, чем определяется этот уровень, какова фактическая связь между возбудимостью и процессами центрального возбуждения и торможения?

Если речь идет о нейроне или отдельных его частях: теле, аксональном холмике или аксоне, - то возбудимость этих нервных элементов будет тем выше, чем ближе сдвинут мембранный потенциал (МП) в сторону порогового уровня деполяризации. И наоборот, она будет тем ниже, чем больше от порогового уровня отодвинут МП в сторону гиперполяризации (рис. 44).

Рис. 44. Соотношение между возбудимостью, возбуждением и торможением в центральном нейроне. (Ориг.). В центре представлены различные уровни мембранного потенциала (МП) нейрона: потенциал 'покоя', МП при возбуждающей и тормозящей синаптической 'бомбардировке', максимально возможный уровень поляризации нейрона и пороговый уровень деполяризации. Величины МП проставлены слева от его схематически изображенных уровней. Фигурными скобками слева показана степень подпороговости, справа - уровни возбудимости, а также возбужденности и заторможенности нейрона, соответствующие различным уровням МП. На верхней вставке слева схематически представлен возбужденный нейрон, обладающий высоким уровнем возбудимости (МП = -65 мв); справа - заторможенный нейрон, обладающий низким уровнем возбудимости (МП = -80 мв). Слева внизу - внутриклеточная запись 'синаптического шума' в мотонейроне с МП = -76 мв. Отметка времени 20 мсек.; калибровка справа от записи

Допустим, что в отсутствие какой-либо синаптической активации МП нейрона составляет -70 мв (потенциал "покоя"). Критический уровень деполяризации этого нейрона, при котором в нем возникает потенциал действия (ПД), равен -60 мв (рис. 44). Чтобы вызвать критическую деполяризацию, необходимо снизить МП нейрона на 10 мв. Такую деполяризацию можно вызвать, пропуская через мембрану нейрона прямоугольные толчки выходящего (деполяризующего) тока через один из каналов двухканального микроэлектрода или расположив поблизости от нейрона катод раздражающих электродов. Будучи заряжен отрицательно, катод также создаст выходящий из клетки ток, который будет деполяризовывать нейрон. В обоих случаях возбудимость можно определить по интенсивности порогового деполяризующего тока.^* Примем полученные при МП "покоя" значения порогового тока за характеристику "нормальной возбудимости".

^* (Для простоты изложения здесь не говорится о значении временных характеристик раздражающего тока. Предполагается, что крутизна его нарастания практически мгновенна.)

Теперь представим, что к возбуждающим синапсам нейрона асинхронно поступает некоторое количество афферентных импульсов, т. е. что нейрон находится под воздействием возбуждающей синаптической "бомбардировки". Пусть она не отличается особенной интенсивностью, но все же деполяризует его на несколько милливольт, приближая уровень МП нейрона к пороговому. Такой нейрон схематически представлен в левой части рис. 44, а в центре показан уровень МП при возбуждающей синаптической "бомбардировке". В этом случае потребуется уже меньшая интенсивность деполяризующего тока, чтобы довести МП до критического уровня, и можно сказать, что возбудимость нейрона теперь является более высокой, чем при МП покоя.

Таким образом, появление в нейроне постсинаптического "центрального" возбуждения повышает его возбудимость, и поэтому можно утверждать, что повышение возбудимости пропорционально величине "возбуждённости" (возбуждения) нейрона, проявляющейся в деполяризационном сдвиге МП.

Далее представим себе, что некоторое количество афферентных импульсов поступает к тормозящим синапсам нейрона и он находится под влиянием тормозящей синаптической "бомбардировки", которая гиперполяризует его на несколько милливольт, отдаляя уровень МП от порогового (рис. 44, справа и в центре внизу). В этом случае необходим ток большей интенсивности, чем при МП "покоя", чтобы вызвать пороговую деполяризацию. Возбудимость нейрона понижается пропорционально величине заторможенности нейрона, проявляющейся в гиперполяризационном сдвиге МП.

Описанные сдвиги МП могут возникать не только под влиянием синаптической активации, но и при действии гуморальных факторов (Буллок, 1959, и др.), но это не изменяет сути дела.

Известно, что в условиях нормальной жизнедеятельности максимально возможный уровень гиперполяризации нейронов не превышает 90 мв - величины потенциала равновесия для ионов К⁺. Такие величины МП могут, например, наблюдаться в период следовой гиперполяризации мотонейронов (МН) (Coombs, Eccles a. Fatt, 1955a; Экклс, 1957). По-видимому, при таком МП возбудимость нервной клетки будет наименьшей, и эту величину можно условно принять за естественный минимальный уровень возбудимости. Максимальная возбудимость нейрона будет иметь место при субкритических значениях МП.