Методы измерения потенциала действия.

Введение.

 Живые клетки при действии различных раздражителей — химических веществ, электрического тока, нагревания, механического воздействия и других — способны переходить в возбужденное состояние. Это выражается в возникновении разности потенциалов между возбужденным и покоящимся участками, что указывает на наличие перераспределения ионов в возбужденном участке. Эта разность потенциалов при возбуждении клетки получила название потенциала действия.

До сих пор остаётся открытый вопрос: “Что такое потенциал действия?”, — биологический сигнал для участка нервной системы или это следствие открытия ионных каналов и движения тока. Ещё больше вопросов возникает при рассмотрении распространения потенциала действия — упорядоченное движение тока, формирование нового потенциала в перехватах Ранвье, а также распространение потенциала действия по аксонам без миелиновой оболочки.

Исследование потенциала действия, а если говорить точнее, то биофизических механизмов его формирования, распространения и принципа устройства очень важно на сегодняшний день. Кроме нейронов ПД генерируют самые разнообразные клетки, например, мышечные клетки скелетной мускулатуры, кардиомиоциты, клетки стенки желудка, интерстициальные клетки и многие другие. В связи с этим, нам очень важно понимать его суть, ведь в будущем это может помочь людям с ограниченными возможностями и травмами, в результате которых те имеют паралич конечностей или проблемы с сердцем и нервной проводимостью. Если мы научимся влиять и взаимодействовать с потенциалом действия внутри нашего организма, то можно будет поставить на ноги парализованных людей, привести к корректной работе сердцебиение, а также вернуть чувствительность органов восприятия внешней среды человека. Возможно, что когда-нибудь в далёком будущем понимание процессов, протекающих в организме при работе потенциала действия, приведёт к созданию интерфейсов “человек - машина” или “человек – искусственный интеллект”.

Где и как формируется потенциал действия? Что участвует в его формировании, каковы его законы? Чем он описывается и как? Как до этого дошли люди? На все эти и другие вопросы, связанные с изучением формирования потенциала действия, рассмотрим в это работе.

 

Методы измерения потенциала действия.

Отведение потенциала действия от аксона кальмара.

Экспериментально было установлено, что, если в нервное волокно аксона кальмара поместить два электрода, на первый с помощью внешнего генератора подавать напряжение, а второй, расположенный дистально, является измерительным и способен регистрировать изменение внутриклеточного потенциала. Типичная схема измерения при подобных действиях выглядит следующим образом.

Рис.1 Схема измерения потенциала действия нервного волокна.

Н - нервное волокно; Э1 - микроэлектрод для возбуждения волокна; Г - генератор П-образных деполяризующих импульсов; Э2, Э3 - микроэлектроды для измерения потенциала действия; У - усилитель; О - осциллограф; V1 - деполяризующий потенциал; V2, V3 - потенциалы действия, измеренные электродами Э2 и Э3; ∆x/∆t - скорость распространения потенциала действия.

После подачи напряжения на Э1, через какое-то время можно установить отрицательный внутриклеточный потенциал покоя, значение нуля на графиках V2 и V3 для электродов Э2 и Э3 есть тот самый отрицательный внутриклеточный потенциал, относительно которого мы и рассматриваем последующие изменения потенциалов действия с разностью в ∆t на расстоянии ∆x.

 

Основы формирования потенциала действия.

Инактивация Na каналов.

Инактивация рассматривается как мономолекулярная реакция, которой подвергнуты в равной степени как открывающие, так и закрывающие каналы. Доля неинактивированных каналов принимается равной h, а инактивированных — (1-h). Процесс инактивации соответствует обратимой реакции:

h ¾¾^bh ®1 - h

a

h ¾¾ 1 -  h

 

Тогда по аналогии с уравнением (6) имеем:

; (9)

; .

Начальный Na ток будет описываться следующим уравнением (аналогичным уравнению (8)):

; (10)

То есть для того, чтобы канал работал, нужно что бы он был открытым () и он не был инактивирован (h(t)).

Подобрав по экспериментальным данным , Ходжкин и Хаксли получили уравнение кинетики тока Na на его начальном участке (соответствует ситуации (а) и (б) на рисунке 10).

Аналогично рассуждают, когда говорят о  каналах, с той лишь разницей, что они инактивируются медленно и на этапе формирования потенциала действия можно рассмотреть только процесс активации  канала. Это привело к тому, что выражение для  проницаемости было получено в следующем виде:

; (11)

; ;

Показатель степени 4, в уравнении (12), также является эмпирическим.

Приведём выражение для математического описания проницаемости мембраны для ионов Na и K. Это позволяет записать выражение для общего трансмембранного тока при формировании потенциала действия:

; (13)

Где –ёмкостной ток перезарядки мембраны;  ёмкость мембраны в невозбуждённом состоянии;  текущий потенциал покоя;  равновесный Нернстовский потенциал ;  пассивные токи утечки для всех типов ионов.

Вся совокупность уравнений, описывающих ионные токи через возбудимые мембраны при изменении потенциала на величину V, называется уравнениями Ходжкина–Хаксли. К ним относятся и уравнения (4)–(13). Использование этих уравнений позволяет математически описать не только ионные токи при фиксированном потенциале, но и изменения потенциала в функционирующем нервном волокне.

 

Заключение.

В данной работе мы ознакомились с методами исследования потенциала действия и собственно с его изучением. Благодаря микроэлектродному методу, мы смогли померить потенциал действия, а метод меченных атомов помог нам подтвердить важность роли иона Na в формировании потенциала действия (максимум потенциала действия на графиках всегда превышает 0, смотри рисунок 4). Это все привело к открытиям Ходжкина-Хаксли, которые создали гипотезу, а на сегодняшний день – принятую теорию о формировании потенциала действия. Так как в потенциале действия большую и важную роль играют ионы натрия, чья концентрация при возбуждении возрастает в 500 раз (смотри раздел 3.1 на странице 7). Мы смогли описать работу Na и K каналов, участвующих в управлении потенциала действия, то есть мы теперь понимаем работу любого ионного канала. Бесспорно, воротная модель является хорошим представлением о работе каналов (и является принятой в научном мировом сообществе), управляющих поступлением ионов в клетку, однако сейчас нет таких микроскопов или систем, способных разглядеть канал, поэтому принцип работы канала и ворот (на рисунках 10 и 9) являются лишь примерным нашим представлением, так же как и структурно-функциональная схема канала (смотри рисунок 8). Ещё одной важной проблемой становится тот факт, что мы всегда рассматриваем клетку в как правило не живой среде, то есть создаётся ситуация, чем-то отличающаяся от реальных условий и процессов, протекающих в теле, тем более, большую часть опытов очень сложно провести на живом человеке (а потенциал действия есть только у живого организма).

Очевидно, что потенциал действия задействован в нервной проводимости и возбуждении, а значит все наши органы чувств и движения конечностей зависят от потенциала действия. Изучение формирования и передачи потенциала действия может вернуть парализованному человеку возможность двигаться, осязать на ощупь, вернёт чувствительность в конечностях. Также одна элементарная клетка является очень мощным (пусть и частотно уступающим, но далеко обходящей по мощности) вычислительным аппаратом, возможно, что исследование потенциала действия поможет нам в развитии вычислительной техники (“делай по аналогии”).

 

 

Список литературы:

 

1. Либерман, Е.А. Генераторы и насосы клетки [Текст]: учеб. для вузов — Москва: Знание, 1965.

2. Косицкий, Г.И. Физиология человека [Текст]: учеб. литература для студентов мед. Институтов — Москва: Медицина, 1985.

3. Осипов, А.Н.// Электронные лекции МГУ — (http://fumo.phys.msu.ru/ArxivOldSite_UMS_Physics/med/cell/cel_10pd.pdf)

4. Огурцов, А.Н. Механизмы мембранных процессов [Текст]: учебно-методическое пособие по курсу “Биологические мембраны” — Харьков: НТУ “ХПИ”, 2006.

Введение.

 Живые клетки при действии различных раздражителей — химических веществ, электрического тока, нагревания, механического воздействия и других — способны переходить в возбужденное состояние. Это выражается в возникновении разности потенциалов между возбужденным и покоящимся участками, что указывает на наличие перераспределения ионов в возбужденном участке. Эта разность потенциалов при возбуждении клетки получила название потенциала действия.

До сих пор остаётся открытый вопрос: “Что такое потенциал действия?”, — биологический сигнал для участка нервной системы или это следствие открытия ионных каналов и движения тока. Ещё больше вопросов возникает при рассмотрении распространения потенциала действия — упорядоченное движение тока, формирование нового потенциала в перехватах Ранвье, а также распространение потенциала действия по аксонам без миелиновой оболочки.

Исследование потенциала действия, а если говорить точнее, то биофизических механизмов его формирования, распространения и принципа устройства очень важно на сегодняшний день. Кроме нейронов ПД генерируют самые разнообразные клетки, например, мышечные клетки скелетной мускулатуры, кардиомиоциты, клетки стенки желудка, интерстициальные клетки и многие другие. В связи с этим, нам очень важно понимать его суть, ведь в будущем это может помочь людям с ограниченными возможностями и травмами, в результате которых те имеют паралич конечностей или проблемы с сердцем и нервной проводимостью. Если мы научимся влиять и взаимодействовать с потенциалом действия внутри нашего организма, то можно будет поставить на ноги парализованных людей, привести к корректной работе сердцебиение, а также вернуть чувствительность органов восприятия внешней среды человека. Возможно, что когда-нибудь в далёком будущем понимание процессов, протекающих в организме при работе потенциала действия, приведёт к созданию интерфейсов “человек - машина” или “человек – искусственный интеллект”.

Где и как формируется потенциал действия? Что участвует в его формировании, каковы его законы? Чем он описывается и как? Как до этого дошли люди? На все эти и другие вопросы, связанные с изучением формирования потенциала действия, рассмотрим в это работе.

 

Методы измерения потенциала действия.