Нейро-биология Том 1 - Шеперд Г.
Скачать (прямая ссылка):
Анализ механизма возбуждения. Модель Ходжкина — Хаксли
При изучении механизмов возникновения потенциала действия в нейронах (а также в других клетках) мы будем отталкиваться от нескольких общепризнанных фактов. Прежде всего процессы, приводящие к генерации нервного импульса, разыгрываются на мембране и заключаются в кратковременных изменениях мембранного потенциала. Идеи о том, что потенциал действия возникает именно на мембране, высказывались уже в XIX веке. Они были подтверждены в изящных опытах на гигантских аксонах кальмара: проведение импульсов в этих аксонах сохранялось даже после выдавливания из них аксо-плазмы.
Второй важный факт, касающийся потенциала действия, заключается в том, что этот потенциал представляет собой кратковременную деполяризацию мембраны. Об этом также догадывались уже в прошлом веке, исходя из данных некоторых экспериментальных работ, однако прямое подтверждение было получено лишь при помощи внутриклеточной записи от аксона кальмара. В главе б (см. рис. 6.6) была описана экспериментальная установка, позволяющая регистрировать мембранные потенциалы от гигантских аксонов; аналогичная установка показана на рис. 7.2. В первых же работах, проведенных исследователями из Рокфеллеровского института медицинских исследований К. Колем и Д. Кертисом (К. Cole, D. Curtis, 1939), было показано, что при возбуждении мембрана не просто деполяризуется, т. е. становится заряженной менее отрицательно изнутри, но разряжается до 0 и затем перезаряжается; в момент пика потенциала действия она становится заряженной
7. Потенциал действия
153
Рис. 7.2. Нервный импульс в аксоне кальмара. Импульс был вызван кратковременной деполяризацией в точке А. Видно, что при экспериментальном возбуждении участка, расположенного где-то в середине нервного волокна, импульс распространяется в обоих направлениях.
положительно изнутри, причем потенциал ее достигает почти + 50 мВ.
Как можно объяснить такую перезарядку мембраны? Она не может быть обусловлена просто увеличением мембранной проницаемости для всех ионов, поскольку в таком случае мембрана поляризовалась бы до 0, но не перезарядилась. Объяснить явление перезарядки мембраны нам поможет третий важнейший факт: потенциал действия в аксонах кальмара возможен лишь при наличии ионов натрия во внеклеточной среде. Удаление этих ионов приводит к снижению величины потенциала действия (рис. 7.3). Что касается потенциала покоя, то, как уже говорилось, его величина почти не зависит от содержания натрия (это связано с тем, что в покое проницаемость мембраны для натрия по сравнению с проницаемостью для калия весьма невелика; см. рис. 6.6). Из кривых, приведенных на рис. 7.3, следует, что в момент пика потенциала действия натриевая -проницаемость (и проводимость) очень высока.
Эти три важнейших факта свидетельствуют о том, что потенциал действия в аксоне кальмара обусловлен временным повышением проницаемости мембраны для натрия. Такое повышение проницаемости приводит к быстрому переходу положительно заряженных ионов натрия по концентрационному градиенту в клетку. При этом потенциал мембраны снижается и даже меняется на противоположный — он приближается к равновесному потенциалу для натрия, равному примерно + 55 мВ. В связи с этим нас интересуют изменения ионной
154
IL Клеточные механизмы
а
100% морской воды 70% морской воды
Б
Нормальное
содержание
натрия
460
+60
440
420
0
-20
-40
'60
-80
о
с
I
-60
Потенциал покоя
-80
ж
100
5 10 20 30 50 100
Содержание натрия во внешней среде, мМ
Рис. 7.3. Зависимость потенциала действия от содержания Na+ во внеклеточной среде. А. Снижение амплитуды потенциала действия при уменьшении содержания Na+ во внеклеточной среде в 3 раза (за 100% принято содержание Na+ в морской воде). Б. Кривая зависимости амплитуды потенциала действия от концентрации Na+ во внеклеточной жидкости. (Hodgkin, Katz,
проницаемости и трансмембранных токов во времени; кроме того, необходимо выяснить, не участвуют ли в генерации потенциала действия другие ионы. Для того чтобы ответить на эти вопросы, необходимо исследовать ионные токи через мембрану при различных уровнях мембранного потенциала. С этой целью была разработана методика пространственной фиксации (при этом импульс не распространяется по аксону, а удерживается на постоянном уровне на некотором участке), а также метод фиксации потенциала. Последний метод позволяет устанавливать и удерживать мембранный потенциал на определенном уровне и измерять трансмембранные токи, возникающие при данном значении потенциала. Схема соответствующей установки приведена на рис. 7.4А, а принципы измерения ионных токов — на рис. 7.4Б — Г.
Данный метод был использован А. Ходжкином (A. Hodgkin) и А. Хаксли (A. Huxley) из Кембриджского университета в знаменитой серии экспериментов, опубликованной в 1952 г. Данные Ходжкина и Хаксли приведены на рис. 7.5. Исследователи измеряли мембранные токи при потенциале, фиксированном на различных уровнях. Из кривой а видно, что суммарный ток состоял из раннего входящего и более позднего выходящего компонентов. Затем Ходжкин и Хаксли повторяли эти опыты, удаляя Na+ из внеклеточной среды. При этом (см. кривую б на рис. 7.5Б) наблюдался лишь более поздний выходящий компонент, величина которого увеличивалась по мере уменьше-
