Картинка дня: «разрезатель времени», измеривший скорость нервного импульса

Credit: public domain


Этот странный диск диаметром менее 20 сантиметров носит гордое название «дифференциальный реотом», сиречь «разрезатель времени».  Возраст его весьма почтенен: в 2018 году ему исполняется аккурат полтора века.  Его придумал пионер экспериментальной нейрофизиологии, немец Юлиус Бернштейн (1839-1917). Именно при помощи этого диска в 1868 году Бернштейн впервые в истории сумел более-менее достоверно измерить скорость распространения нервного импульса по нервному волокну лягушачьей лапки. Через полвека, в 1902 году именно Бернштейн впервые сформулирует мембранную гипотезу потенциала действия и потенциала покоя нервной клетки и введет сами эти понятия.

А вот как работал его реотом:

Эксцентрик на вращающемся диске на короткое время замыкает цепь для электрического стимулирования нерва, а затем вторую цепь, в которой гальванометр записывал электрическую активность нерва или мышцы (“отрицательное изменение” — «перевернутая» форма потенциала действя). Время задержки между стимулом и интервалом записи устанавливаются путем регулирования угла между двумя переключателями. Скорость вращающегося колеса и ширина эксцентрика установлены так, что гальванометр подключается к записывающему электроду всего лишь через долю миллисекунды.

«Перевёрнутый» потенциал действия, записанный Бернштейном. 

Поэтому сей диск вписал свою схему золотыми линиями в историю нейронаук. А о самом его создателе (и, фактически, одном из создателей экспериментальной нейрофизиологии) мы расскажем на следующей неделе.


Разыскания Алексея Паевского

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Нейронауки для всех. Двигатель жизни: потенциал действия

…На них надвигалась огромная волна. Однако, всё, что они могли делать – наблюдать, как она стремительно приближается, безжалостно переворачивая привычное равновесие. Они жили вмурованными в двухслойную почву под ногами, оберегали свои врата от внешних посягательств и не впервые переносили подобное цунами, но каждый раз испытывали леденящий всё их естество трепет. В течение лишь нескольких миллисекунд один за одним всё ближе распахивались врата их товарищей, не выдерживая напора, и в них с бешенной силой и победными возгласами устремлялись толпы постоянно дежуривших неподалёку «противников»… Они понимали, что до полной капитуляции оставались считанные мгновения. За их спинами уже расположились налившиеся силой воины, которые были готовы, как только падут последние двери, нестись что есть мочи к следующей крепости, унося с собой необходимые для доставки союзникам ценные сведения. Три… Два… Один.

Распространение потенциала действия по аксону


Согласитесь, похоже на сценарий какого-то средневекового фильма? И всё это ежесекундно в огромных количествах происходит в каждом уголке нашего организма. Как вы, наверное, уже могли догадаться, речь идёт о потенциале действия (ПД) – другом двигателе, который обеспечивает нашу жизнедеятельность.

В прошлый раз мы говорили о потенциале покоя, который полностью противоположен нашему нынешнему «герою», но только в их постоянном чередовании может существовать чудо под названием «жизнь». Покой обеспечивает внутреннюю устойчивость и равновесие, которые можно регулировать и менять действием. Именно так «сотрудничают» потенциалы, то есть без одного невозможен и другой. Но давайте обо всём по порядку.

 

Упражнение «ямка-горка» для мембраны

Мы с вами уже разобрались, какие бывают каналы и как они поддерживают внутреклеточный гомеостаз (постоянство среды). Калиевые каналы обладают одними «вратами», который в покое открыты, а натриевые – двумя, и те, которые располагаются более близко к наружной среде – в покое закрыты. Но вот как только клетка начинает возбуждаться и генерировать потенциал действия, всё меняется. Как? Двухфазно и циклически.

Дело в том, что потенциал действия тоже не возникает на «пустом» месте, и для того, чтобы он появился, нужен свой определённый по силе пороговый раздражитель. Здесь самое время сказать о том, что раздражители тоже бывают разными: одни подходящие (пороговые, их воздействие вызывает ПД), другие слабоваты (подпороговые, вызывают локальный ответ, но до возбуждения «не дотягивают»), а третьи – чрезмерные (надпороговые, могут и «убить»).

Итак, фаза 1 – деполяризация.

В покое мембрана поляризована, и мембранный потенциал (разница между зарядами внутри и снаружи) составляет у нервных клеток и волокон -70 мВ (для сравнения, у мышечных клеток он равен -90 мВ). Как только на клетку действует раздражитель (предположим, он по силе «идеален»), натрий, которого много вовне, устремляется внутрь через постепенно открывающиеся потенциал-зависимые ионные каналы и деполяризует мембрану до того самого порогового уровня (около -55 мВ), после которого лавинообразно и одномоментно распахиваются абсолютно все подобные каналы. Таким образом, мембрана резко меняет свой заряд, и там, где был (-), становится (+) – внутри, а там был (+), становится (-) — снаружи. Мембрана приобретает заряд около +40 мВ, и тот пик, пока она заряжена положительно (выше 0 мВ), называется овершутом (нет это не «очень крутой» шут, а такой термин).

С этого момента начинается фаза 2 – реполяризация.

Достигнув максимального пика, сила потенциала падает, и ионный ток начинает обратное движение (нужно же убрать «всё это безобразие» после «вечеринки»). При этом потенциал-зависимые натриевые каналы захлопываются, но открываются каналы для К+, который начинает активно выходить по градиенту концентрации (помним, что снаружи его меньше) и восстанавливать внутренний отрицательный заряд мембраны. Однако, натрия в клетке всё ещё много, и чтобы его ликвидировать, подключаются энергозатратные К/Na-насосы. В итоге все эти механизмы перевыполняют свою работу, и клетка слегка уходит в гиперполяризацию, приобретая даже более сильный отрицательный заряд, который ей в принципе нужен для покоя. Но потом всё быстро восстанавливается, и вот мембрана уже снова готова к приходу сокрушительного деполяризующего «цунами».

Конечно, стоит отметить, что вторая фаза потенциала действия, как правило, обусловлена не одним, а целым семейством взаимодействующих калиевых, кальциевых и других токов.

 

Потенциал воображения

Какие же условия нужны для того, чтобы появился потенциал действия? Прежде всего, должно «прилететь» раздражение либо извне, либо благодаря блуждающим по мембране локальным потенциалам, которые, объединившись на аксональном холмике (его можно даже назвать «родильным домом»), переходят в реальный потенциал действия. С этого момента он становится нервным импульсом и передаётся по аксону, вызывая в синаптическом окончании выброс нейромедиаторов, которые устремляются к мембране другой клетки через синаптическую щель (узнаёте картину, описанную в начале статьи?)

Кроме того, то самое раздражение должно быть достаточным по силе, чтобы достичь порога возбуждения, достаточным по времени действия и скорости нарастания. Имеет значение даже его направление (если оно электрическое, то в зависимости от полюса направление будет либо в сторону деполяризации, либо в сторону гиперполяризации).

Так, стоп. А почему нас это волнует? Поясним: чем мембрана более деполяризована, тем клетка более активна и готова на ответ в виде потенциала действия. Например, если её начальный заряд не -70 мВ, а -60. Именно поэтому любое малейшее движение (зачёркнуто) раздражение, даже подпороговой силы, будет способно клетку возбудить и заставить её «вздрогнуть в конвульсии».

Когда же она находится в состоянии гиперполяризации, ей глубоко «всё равно», какими пороговыми раздражителями на неё воздействуют. Например тогда, когда мембранный потенциал составляет -100мВ, и до порога нужно преодолеть целых 45мВ. Она «не в духе», и только сила гораздо выше обычного для неё порога сможет «достать» её из этого состояния и помочь ответить потенциалом действия. Но уж как только она достигает этого порогового значения, то отвечает со всей той силой и «пылкостью», на которую способна (согласно закону «всё или ничего»). А измеряется уровень «пылкости» количеством имеющихся в мембране потенциал-зависимых Na-каналов, которые могут открыться одновременно.

Движение ионов через каналы в процессе распространения потенциала действия


Но и это ещё не всё. Оказывается, на разных стадиях развернувшегося потенциала действия клетка тоже поддаётся (или не поддаётся) влиянию. Если попытаться её тронуть на этапе быстрой деполяризации и сразу после пика, то ничего не произойдёт, потому что в первом случае все возможные Na-каналы уже будут открыты, а во втором – инактивированы (закрыты на обе «щеколды»). Этот период называется периодом абсолютной рефрактерности. Но если ещё немного подождать и попытаться пораздражать мембрану за овершутом, то мы увидим ответ, хотя он будет достаточно слабым – период относительной рефрактерности. Это потому, что некоторые натриевые каналы уже «оправятся» и наполовину откроются, готовясь к новой серии возбуждения. Сразу за ним идёт короткий период повышенной возбудимости, так как клетка ещё не «остыла» и готова откликнуться потенциалом на любой слабый сигнал.

Если же мы потерпим ещё немного, избежав период гиперполяризации, и дадим раздражение, то увидим, что мембрана снова гипервозбудима, потому что попадём в так называемый следовый потенциал.

Такие вот клеточные «американские горки».

Ближе к «телу»

Интересно, что амплитуда потенциала действия у каждой клетки постоянная и своя, правда, колеблется не так сильно и в основном составляет по абсолютной величине около 90-110 мВ. А вот длительность ПД у разных типов клеток различается и довольно значительно, вплоть до нескольких порядков.

Наиболее «быстрострельные» потенциалы действия у крупных миелинизированных аксонов двигательных нейронов (2-3 мс), а также скелетных мышечных волокон (3-4 мс). Оно и понятно – им важна скорость. Прежде всего, для выживания.

Гладкомышечные клетки генерируют потенциалы действия не всегда, а их продолжительность может составлять от 10 до 30 мс, как, например, в клетках желудочно-кишечного тракта. Здесь сила сокращения мышцы зависит от того, насколько часто возникают серийные потенциалы. Схема такая: чем чаще один ПД следует за другим, тем больше кальция поступает в клетки, и, соответственно, тем сильнее сокращается и тонизируется гладкая мышца.

У кардиомиоцитов (мышечных клеток сердца) длительность ПД больше на целых два порядка и составляет 300-400 мс, так как здесь во время второй фазы потенциала внутрь поступают ионы кальция, которые нужны для того, чтобы запустить сокращение. В итоге чем длительность ПД отдельной клетки выше, тем сильнее сокращение сердца.

Зачем нам всё это нужно знать? Всё достаточно просто. Потенциал действия и колебания потенциала покоя лежат в основе возбуждения и торможения у животных и человека. Главные характеристики ПД – амплитуда и длительность – могут быть как функциональными, так и носить патологический характер, что сразу даст нам понять о «сбоях в системе». А исследование суммарных потенциалов действия клеток и органов легло в основу таких незаменимых в современной врачебной практике диагностических методик, как электрокардиография, электроэнцефалография и электромиография.


Текст: Анна Хоружая

Предыдущие выпуски:

как появляется нервная система,

клетки нервной системы,

потенциал покоя.

Как сделать «острее» потенциал действия?

Сотрудники ИВНД и НФ РАН совместно с коллегами из ИБХ РАН и Университета Сассекса выявили новый способ регуляции электрической активности нейронов с помощью располагающихся в синапсах нейрона калиевых ионных каналов BK-типа, чувствительных к кальцию и открывающихся под действием электрического потенциала. Опубликованные в журнале Science Advances результаты раскрывают механизмы, с помощью которых нейронная сеть без искажений передаёт высокочастотные сигналы, необходимые для точной детекции совпадений во времени.


Ученых давно интересовало, какие особенные свойства нейронов позволяют им генерировать и поддерживать сверхвысокочастотные импульсы (потенциалы действия) — до 200 раз в секунду и выше. За создание концепции, описывающей возникновение нервного импульса путем активации ионных каналов в 1963 году Ходжкин и Хаксли получили Нобелевскую премию по медицине.

Потенциал-активируемые ионные каналы это белки, пропускающие заряженные частицы (ионы) через мембрану, в результате чего генерируются электрические разряды, с помощью которых нейроны «разговаривают» между собой и передают команды, например, на сокращение мышц. При этом, электрическая активность мембраны нейрона не затихает сама собой, и чтобы всплеск потенциала прекратился, в конце каждого нервного импульса необходима активация особого типа каналов, пропускающих ионы калия и возвращающих заряд мембраны нейрона к его исходному значению покоя. От работы калиевых каналов зависит, насколько быстро мембрана нейрона восстановится и будет готова снова генерировать нервный импульс, а значит, и с какой частотой нейрон сможет передавать сигналы по своему аксону к другим нейронам сети.

В своем исследовании ученых из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН и Университета Сассекса особенно заинтересовали нейрональные калиевые каналы BK-типа, чувствительные к внутриклеточному кальцию, и поэтому активирующиеся не сразу, а только после одного или нескольких предшествующих электрических импульсов, когда в клетку уже начинает поступать кальций. Это помогает нейронам поддерживать высокую калиевую проводимость даже при серийных разрядах, когда основной тип калиевых каналов, Kv1, уже значительно инактивирован. Особенное положение BK-каналов в аксоне и синаптических бутонах позволяет им «чувствовать» кальциевый сигнал в синапсах — запускаемых внутриклеточным кальцием «межнейронных передатчиках», с помощью которых нейроны посылают химические сигналы по цепочке друг-другу.

«Мы установили, что активация синаптической передачи нейроном сама по себе видоизменяет будущие электрические разряды в этом нейроне посредством очень быстрой обратной связи, — объясняет Евгений Никитин, руководитель группы биофотоники ИВНД и НФ РАН. –Повышение внутриклеточного кальция в пресинаптическом бутоне и первом перехвате Ранвье вызывает значительное снижение длительности отдельных потенциалов действия в этом нейроне посредством открытия калиевых BK-каналов, чувствительных к кальцию».

Чтобы установить, как внутриклеточный кальций меняет параметры разрядов нейрона, ученые использовали метод фотолитического высвобождения кальция из связанного фоточувствительного соединения, которым предварительно заполняли пирамидный нейрон пятого слоя зрительной коры крысы. Используя сканирующий микроскоп, ученые проецировали лазерный импульс длительностью десятки миллисекунд точно на пресинаптический бутон аксона, вызывая там локальное фотовысвобождение кальция и регистрируя его распространение по аксону с использованием флуоресцентного кальциевого индикатора. Одновременно, ученые регистрировали уменьшение длительности электрических импульсов в нейроне с помощью стеклянного микроэлектрода, внедренного в его мембрану. Эксперименты показали, что искусственно вызванная «кальциевая волна», сравнимая с эффектом от предшествующего электрического импульса, вызывает значительное сужение последующих импульсов в серии.

Однако, как исключить другие объяснения наблюдаемого явления и доказать, что за это ответственны именно калиевые каналы BK-типа? Здесь на помощь ученым пришел высокоселективный пептидный блокатор каналов BK-типа – Ибериотоксин, выделенный из яда индийского скорпиона Buthus tamulus. В присутствии Ибериотоксина в физиологическом растворе, омывающем нейрон, длительность нервного импульса под воздействием кальция не уменьшалась, тогда как другие блокаторы, в том числе блокаторы Kv1 каналов и синаптической передачи, на наблюдаемое явление не влияли. Ибериотоксин также нарушал структуру постсинаптических потенциалов, вызываемых активацией синапса в следующем нейроне в цепочке, что говорит о важности BK-каналов для поддержания пропорциональности синаптической передачи при серийных высокочастотных разрядах нейросети.

Исследование включало не только нейрофизиологическую, но и молекулярно-биологическую составляющую. В сотрудничестве с коллективом из ИБХ РАН под руководством Всеволода Белоусова было определено точное расположение наиболее близких синаптических бутонов аксона, способных повлиять на генерацию нервного импульса. Ученые трансфецировали нейроны пятого слоя зрительной коры с помощью «генной пушки», используя аминокислотную последовательность, определяющую внутриклеточный транспорт синаптического белка синаптофизина, соединенную с зеленой флуоресцентной («светящейся») меткой SypHer2. Далее, метку SypHer2 наложили с помощью лазерного конфокального сканирующего микроскопа на светящиеся контуры нейрона, подсвеченные с помощью другого флуоресцентного белка, tagRFP, что позволило увидеть расположение бутонов данного нейрона, из которых для дальнейших экспериментов выбрали наиболее близко лежащие к первому перехвату Ранвье.

По словам руководителя подразделения, члена-корреспондента РАН Павла Балабана, данная работа показывает важность потенциал-чувствительных каналов не только для процесса генерации нервного импульса, но и для динамической настройки его параметров при серийных разрядах. Если бы этого дополнительного механизма регуляции длительности импульса не существовало, синаптическая передача сигналов между нейронами могла бы перейти к неконтролируемой экскалации из-за увеличения длительности импульсов, вызываемого частичной инактивацией основных потенциал-зависимых каналов при высокочастотных разрядах.


Текст: ИВНД РАН

A BK channel–mediated feedback pathway links single-synapse activity with action potential sharpening in repetitive firing

Matvey V. Roshchin, E. Matlashov, Victor N. Ierusalimsky, Pavel M. Balaban, Vsevolod V. Belousov, György Kemenes, Kevin Staras, Evgeny S. Nikitin

Science Advances 04 Jul 2018:
Vol. 4, no. 7, eaat1357
DOI: 10.1126/sciadv.aat1357

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.