Вся информация, которую получают и анализируют нервные клетки, заключена в нервных импульсах, которые направляются к нервным центрам, расположенным в спинном и головном мозге, или на периферию – к рабочим органам (мышцам, железам, внутренним органам и другим структурам человеческого организма). О том, что нервные сигналы передаются по нервным клеткам в виде нервных импульсов, было известно давно. Однако природа их возникновения и распространения была выяснена только в последние 40 лет.
Нервные импульсы. У нервных клеток цитолемма (внешняя клеточная мембрана) в покое имеет различный электрический заряд (потенциал) на наружной и внутренней поверхностях. При этом внутренняя поверхность цитолеммы нервных клеток заряжена отрицательно, а наружная – положительно. В покоящемся нейроне разность потенциалов между двумя поверхностями мембраны называют мембранным потенциалом или потенциалом покоя. Величина его – 70 мВ.
Мембранный потенциал возникает вследствие различного ионного состава тканевой жидкости и цитоплазмы нейрона. Особо важное значение имеют ионы Na+, К+, Сl–. Снаружи, со стороны межклеточной жидкости, больше положительно заряженных ионов, а с внутренней стороны, в цитоплазме нейрона, больше отрицательных ионов. Кроме того, в цитоплазме много отрицательно заряженных крупных органических молекул, которые не могут проникать через мембрану из-за своих размеров. Сохранение разной ионной концентрации в растворах, разделенных мембраной, возможно благодаря ее избирательной проницаемости.
Показано, что в состоянии покоя мембрана нервных клеток наиболее проницаема для ионов К+ и очень мало проницаема для ионов Nа+. В силу разности концентраций ионы К+ выходят на наружную поверхность клеточной мембраны, вынося положительный заряд.
Таким образом, мембранный потенциал зависит от разной концентрации ионов снаружи и внутри клетки, а разная концентрация ионов может поддерживаться за счет избирательной проницаемости клеточной мембраны и механизмами транспорта ионов.
Если возбудимую клетку (нейрон) подвергнуть действию достаточно сильного раздражителя (механического, химического, электрического и т.д.), то в ответ на него ионы Nа+ сначала медленно, а затем лавинообразно устремляются внутрь клетки, неся с собой положительный заряд. Происходит перезарядка мембраны: ее внутренняя поверхность приобретает положительный заряд, а наружная – отрицательный. При перезарядке мембраны возникает потенциал действия – нервный импульс.
Повышение проницаемости мембраны для ионов Na+ длится очень недолго, поэтому и длительность потенциала действия измеряется тысячными долями секунды (миллисекундами). Потенциал действия, возникая в возбужденном участке мембраны (он электроотрицателен по отношению к участку, находящемуся в невозбужденном состоянии), становится раздражителем для соседнего участка. Такой механизм обеспечивает продольное распространение нервных импульсов (потенциалов действия).
Таким образом, в нервной системе информация передается в виде серии распространяющихся потенциалов действия – нервных импульсов. Образование нервной клеткой потенциала действия в ответ на раздражение называют возбуждением.
Проведение возбуждения в нервной системе. Нервные волокна обладают способностью проводить возбуждение (нервный импульс) в двух направлениях. По одним нервным волокнам импульсы идут в центростремительном направлении (к мозгу), а по другим – в центробежном (от мозга к рабочим органам). Скорость проведения нервного импульса зависит от диаметра волокна. Чем оно толще, тем быстрее распространяется импульс. Наибольшей скоростью проведения (до 120 м1с) отличаются мякотные (миелиновые) нервные волокна. Безмякотные (безмиелиновые) нервные волокна проводят импульсы медленно (1 – 2 м1с). В мякотных нервных волокнах возбуждение может возникать только в тех участках волокна, где отсутствует мякотная оболочка (в области узловых перехватов нервного волокна – перехватов Ранвье). Поэтому у мякотных волокон возбуждение распространяется скачками от одного перехвата к другому, продвигаясь вдоль волокна гораздо быстрее, чем у тонких безмякотных волокон.
Совокупность нервных волокон образует нерв. В нервах импульсы проводятся по отдельным нервным волокнам изолированно: в одних –
в центростремительном направлении (к спинному и головному мозгу), в других – центробежном направлении (из мозга на периферию).
Синаптические соединения нервных клеток могут быть возбуждающими и тормозными. В возбуждающем синапсе медиатор быстро передает возбуждение другому нейрону. В тормозном синапсе действие медиатора направлено на задержку передачи нервного импульса от пресинаптической мембраны окончания аксона на постсинаптическую мембрану следующей нервной клетки. Процессы возбуждения и торможения имеются и в нервных центрах, в которых передача нервных импульсов через синапсы происходит быстро или, наоборот, замедленно, тормозится.
Торможение – это нервный процесс, приводящий к угнетению возбуждения. При торможении медиатор пресинаптических окончаний подавляет способность клетки генерировать возбуждение.
1. Что такое нервный импульс? Где и почему он возникает?
2. Какие заряды (положительный, отрицательный) находятся на поверхностях цитолеммы нервных клеток?
3. Какие ионы находятся на поверхностях цитолеммы нервных клеток и как они себя ведут при действии раздражителя?
4. Что вы знаете о скорости проведения нервных импульсов по мякотным и безмякотным нервным волокнам?
5. Какие процессы называют возбуждением и торможением?
