Возбудимость — это фундаментальное свойство живых клеток и тканей реагировать на раздражение специализированным активным ответом — процессом возбуждения, в основе которого лежит изменение электрического потенциала клеточной мембраны.
Биофизические основы возбудимости
В основе возбудимости лежит наличие в клеточной мембране потенциал-зависимых ионных каналов. В состоянии покоя между наружной поверхностью мембраны и цитоплазмой существует разность потенциалов (мембранный потенциал покоя, МПП), составляющая в среднем от -50 до -90 мВ у разных типов клеток. Внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к наружной. Это обеспечивается неравномерным распределением ионов Na⁺, K⁺, Cl⁻ и Ca²⁺ по обе стороны мембраны и работой Na⁺/K⁺-АТФазы.
Ключевые параметры возбудимости
Для количественной оценки уровня возбудимости ткани или клетки используются следующие электрофизиологические критерии:
- Порог раздражения (реобаза) — минимальная сила стимула, способная вызвать потенциал действия. Чем ниже порог, тем выше возбудимость.
- Полезное время — минимальное время, в течение которого должен действовать стимул силой в одну реобазу, чтобы вызвать ответ.
- Хронаксия — время действия тока удвоенной пороговой силы, необходимое для возникновения возбуждения. Является более точным показателем, так как исключает влияние крутизны нарастания стимула.
- Аккомодация — способность ткани адаптироваться к медленно нарастающему стимулу, повышая порог возбуждения вплоть до полной невосприимчивости.
Фазы изменения возбудимости (рефрактерность)
Динамика возбудимости напрямую связана с фазами потенциала действия. В момент ответа ткань временно теряет способность реагировать на новые стимулы. Этот процесс цикличен и строго последователен:
| Фаза | Состояние натриевых каналов | Уровень возбудимости | Характеристика ответа |
|---|---|---|---|
| Латентный период | Закрыты, готовы к активации | Незначительно повышен | Подпороговые стимулы могут суммироваться |
| Абсолютная рефрактерность | Активированы и инактивированы | Полностью отсутствует | Клетка не отвечает ни на какой стимул |
| Относительная рефрактерность | Частичное восстановление каналов | Снижена | Ответ только на сверхпороговый стимул, амплитуда ПД снижена |
| Фаза экзальтации (супернормальности) | Полностью восстановлены, мембрана частично деполяризована | Повышена | Возможен ответ на подпороговый стимул (облегчение) |
| Субнормальный период | Глубокая следовая гиперполяризация | Снижена | Требуется более сильный стимул для достижения порога |
Ионные механизмы и потенциал действия
При действии раздражителя пороговой силы происходит открытие быстрых потенциал-зависимых Na⁺-каналов. Лавинообразный вход ионов натрия в клетку вызывает деполяризацию (восходящая фаза потенциала действия). Критический уровень деполяризации (КУД) — это точка невозврата, после достижения которой процесс становится самоподдерживающимся и уже не зависит от силы исходного стимула.
Далее следует инактивация натриевых каналов и открытие медленных калиевых каналов. Выход K⁺ из клетки обеспечивает фазу реполяризации, возвращая мембранный потенциал к исходным значениям, часто с временным заходом в следовую гиперполяризацию. В разных тканях ключевую роль в генерации ПД могут играть ионы кальция (Ca²⁺), например, в кардиомиоцитах и гладкомышечных клетках.
Законы раздражения возбудимых тканей
Для возникновения возбуждения стимул должен соответствовать строгим критериям, сформулированным в классических законах:
Закон силы
Раздражитель должен достичь определенной пороговой силы. Подпороговые стимулы вызывают лишь локальный ответ (электротон), который затухает с расстоянием и не подчиняется правилу «все или ничего».
Закон градиента (крутизны нарастания)
Чем выше крутизна нарастания тока, тем сильнее его раздражающее действие. При медленном нарастании стимула ткань аккомодирует (приспосабливается): натриевые каналы успевают частично инактивироваться, а калиевая проницаемость возрастает, что блокирует деполяризацию.
Закон времени (силы-длительности)
Между минимальной силой раздражителя и временем его действия существует гиперболическая зависимость, описываемая кривой Гоорвега-Вейса-Лапика. Токи короче определенного полезного времени не вызывают распространяющегося возбуждения ни при какой силе.
Сравнительная возбудимость различных тканей
Уровень возбудимости неодинаков в разных структурах организма, что определяется плотностью ионных каналов и функциональной нагрузкой:
- Нервная ткань: Обладает наивысшей возбудимостью. Хронаксия двигательных нервов составляет десятые доли миллисекунды. Нейроны способны генерировать до сотен импульсов в секунду.
- Скелетные мышцы: Хронаксия выше, чем у нервов. Возбуждение передается через нервно-мышечный синапс строго дозированно.
- Сердечная мышца: Обладает автоматией (способностью к самовозбуждению). Характеризуется длительной абсолютной рефрактерностью (плато ПД), что предохраняет сердце от тетануса и обеспечивает ритмичные сокращения.
- Гладкие мышцы: Низкая возбудимость, высокая пластичность и аккомодация. Потенциал действия кальциевой природы медленнее в десятки раз по сравнению со скелетными мышцами.
Парабиоз и лабильность
Николай Евгеньевич Введенский ввел понятие функциональной подвижности (лабильности) — максимального числа импульсов, которое возбудимая ткань способна воспроизвести в единицу времени в строгом соответствии с ритмом раздражения. Под воздействием повреждающих факторов (химических, термических) в ткани развивается парабиоз — особое обратимое состояние, проходящее через три стадии:
- Уравнительная фаза: на сильные и слабые раздражители ткань отвечает одинаково низкоамплитудными сокращениями.
- Парадоксальная фаза: сильные стимулы дают слабый ответ или не дают его вовсе, слабые же сохраняют эффект.
- Тормозная фаза: полная потеря возбудимости и проводимости в результате глубокой стойкой деполяризации.
Клиническое значение
Оценка возбудимости имеет колоссальное диагностическое значение. В неврологии метод электронейромиографии позволяет вычислять хронаксию и скорость проведения возбуждения, выявляя демиелинизирующие и аксональные поражения. В кардиологии соотношение рефрактерных периодов и порогов возбуждения кардиомиоцитов определяет генез аритмий и механизм действия антиаритмических препаратов. Изменение возбудимости нейронов коры лежит в основе эпилептиформной активности, а ее модуляция тормозными медиаторами (ГАМК) и возбуждающими аминокислотами (глутамат) является ключом к пониманию работы ЦНС.
Возрастные изменения
В процессе старения организма возбудимость тканей претерпевает значительные изменения. Лабильность нервных центров падает, удлиняется хронаксия двигательных единиц, ухудшается аккомодация к внешним стимулам. Это обусловлено изменением липидного состава мембран, накоплением продуктов окислительного стресса и снижением активности Na⁺/K⁺-насоса. Возросшая следовая гиперполяризация после цикла возбуждения увеличивает относительную рефрактерность, ограничивая максимальную частоту импульсации.
(Пока оценок нет)
Загрузка...
