Нервовий імпульс, його перетворення та механізм передачі

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 76

Нервова система людини виступає своєрідним координатором у нашому організмі. Вона передає команди від мозку мускулатурі, органам, тканинам і обробляє сигнали, що йдуть від них. Як своєрідний носій даних використовується нервовий імпульс. Що він собою являє? З якою швидкістю працює? На ці, а також на ряд інших питань можна буде знайти відповідь у цій статті.

Чим є нервовий імпульс?

Так називають хвилю збудження, що поширюється по волокнах як відповідь на роздратування нейронів. Завдяки цьому механізму забезпечується передача інформації від різних рецепторів до центральної нервової системи. А від неї, у свою чергу, до різних органів (м’язів і залози). А що ж цей процес являє собою на фізіологічному рівні? Механізм передачі нервового імпульсу полягає в тому, що мембрани нейронів можуть змінювати свій електрохімічний потенціал. І процес, що нас цікавить, відбувається в області синапсів. Швидкість нервового імпульсу може змінюватися в рамках від 3 до 12 метрів за секунду. Більш детально про неї, а також про фактори, що на неї впливають, ми ще поговоримо.

Дослідження будови і роботи

Вперше проходження нервового імпульсу було продемонстровано німецькими вченими Е. Герінгом і Г. Гельмгольцем на прикладі жаби. Тоді ж і було встановлено, що біоелектричний сигнал поширюється із зазначеною раніше швидкістю. Взагалі, таке є можливим завдяки особливій побудові нервових волокон. У деякому роді вони нагадують електричний кабель. Так, якщо проводити паралелі з ним, то провідниками є аксони, а ізоляторами — їх мієлінові оболонки (вони являють собою мембрану шваннівської клітини, яка намотана в кілька шарів). Причому швидкість нервового імпульсу залежить в першу чергу від діаметра волокон. Другим за важливістю вважається якість електричної ізоляції. До речі, в якості матеріалу організмом використовується ліпопротеїд мієлін, який володіє властивостями діелектрика. За інших рівних умов, чим більше буде його шар, тим швидше проходитимуть нервові імпульси. Навіть на даний момент не можна сказати, що ця система повноцінно досліджена. Багато, що стосується нервів та імпульсів, ще залишається загадкою і предметом дослідження.

Особливості будови і функціонування

Якщо говорити про шлях нервового імпульсу, то необхідно відзначити, що мієліновою оболонкою волокно покривається не по всій своїй довжині. Особливості побудови такі, що сформовану ситуацію найкраще буде порівняти зі створенням ізолюючих керамічних муфт, що щільно нанизуються на стрижень електричного кабелю (хоча в даному випадку на аксон). Як результат — є невеликі незольовані електричні ділянки, з яких іонний струм може спокійно витекти з аксона в навколишнє середовище (або навпаки). При цьому дратується мембрана. Внаслідок цього викликається генерація потенціалу дії в дільницях, що не ізольовані. Цей процес називається перехопленням Ранв’є. Наявність такого механізму дозволяє зробити так, щоб нервовий імпульс поширювався значно швидше. Давайте про це поговоримо на прикладах. Так, швидкість проведення нервового імпульсу в товстому мієлінізованому волокні, діаметр якого коливається в рамках 10-20 мікрон, становить 70-120 метрів за секунду. Тоді як у тих, у кого неоптимальна структура, цей показник менше в 60 разів!

Де вони створюються?

Нервові імпульси виникають у нейронах. Можливість створення таких «послань» є однією з основних їх властивостей. Нервовий імпульс забезпечує швидке поширення однотипних сигналів по аксонах на велику відстань. Тому це найважливіший засіб організму для обміну інформацією в ньому. Дані про роздратування передаються за допомогою зміни частоти їх проходження. Тут працює складна система періодики, яка може налічувати сотні нервових імпульсів в одну секунду. За дещо подібним принципом, хоча і значно ускладненим, працює комп’ютерна електроніка. Так, коли нервові імпульси виникають в нейронах, то вони кодуються певним чином, а тільки потім вже передаються. При цьому інформація групується в спеціальні «пачки», які мають різне число і характер прямування. Все це, складене разом, і становить основу для ритмічної електричної активності нашого мозку, що можна зареєструвати завдяки електроенцефалограмі.

Типи клітин

Говорячи про послідовність проходження нервового імпульсу, не можна обійти увагою нервові клітини (нейрони), за якими і відбувається передача електричних сигналів. Так, завдяки їм обмінюються інформацією різні частини нашого організму. Залежно від їх структури і функціоналу виділяють три типи:

1. Рецепторні (чутливі). Ними кодуються і перетворюються на нервові імпульси всі температурні, хімічні, звукові, механічні та світлові подразники.
2. Вставні (також називаються кондукторними або замикальними). Вони служать для того, щоб переробляти і перемикати імпульси. Найбільше їх число знаходиться в головному і спинному мозку людини.
3. Ефекторні (рухові). Вони отримують команди від центральної нервової системи на те, щоб були вчинені певні дії (при яскравому сонці закрити рукою очі і так далі).

Кожен нейрон має тіло клітини і відросток. Шлях нервового імпульсу по тілу починається саме з останнього. Відростки бувають двох типів:

1. Дендрити. На них покладено функцію сприйняття подразнення розташованих на них рецепторів.
2. Аксони. Завдяки їм нервові імпульси передаються від клітин до робочого органу.

Цікавий аспект діяльності

Говорячи про проведення нервового імпульсу клітинами, складно не розповісти про один цікавий момент. Так, коли вони знаходяться в спокої, то, скажімо так, натрієво-калієвий насос займається переміщенням іонів таким чином, щоб досягти ефекту прісної води всередині і солоної зовні. Завдяки отримуваному дисбалансу різниці потенціалів на мембрані можна спостерігати до 70 мілівольт. Для порівняння — це 5% від звичайних батарейок АА. Але як тільки змінюється стан клітини, то отримана рівновага порушується, і іони починають мінятися місцями. Так відбувається, коли через неї проходить шлях нервового імпульсу. Завдяки активній дії іонів ця дія і називають ще потенціалом дії. Коли він досягає певного показника, то починаються зворотні процеси, і клітина досягає стану спокою.

Про потенціал дії

Говорячи про перетворення нервового імпульсу і його поширення, слід зазначити, що воно могло б складати жалюгідні міліметри в секунду. Тоді б сигнали від руки до мозку доходили б за хвилини, що явно недобре. Ось тут і грає свою роль у посиленні потенціалу дії розглянута раніше оболонка з мієліну. А всі її «пропуски» розміщені таким чином, щоб вони тільки позитивно позначалися на швидкості передачі сигналів. Так, коли імпульсом досягається кінець основної частини одного тіла аксона, то він передається або наступній клітині, або (якщо говорити про мозок) численним відгалуженням нейронів. Ось в останніх випадках працює трохи інший принцип.

Як все працює в мозку

Давайте поговоримо, яка передавальна послідовність нервового імпульсу працює в найбільш важливих частинах нашої ЦНС. Тут нейрони від своїх сусідів відокремлюються невеликими щілинами, що називаються синапсами. Потенціал дії не може переходити через них, тому він шукає інший спосіб, щоб потрапити до наступної нервової клітки. На кінці кожного відростка є невеликі мішечки, що називаються пресинаптичними бульбашками. У кожному з них є особливі з’єднання — нейромедіатори. Коли до них надходить потенціал дії, то вивільняються з мішечків молекули. Вони перетинають синапс і приєднуються до особливих молекулярних рецепторів, що розташовані на мембрані. При цьому порушується рівновага і, ймовірно, з’являється новий потенціал дії. Достовірно це ще не відомо, нейрофізіологи займаються вивченнями питання і донині.

Робота нейромедіаторів

Коли вони передають нервові імпульси, то існує кілька варіантів, що станеться з ними:

1. Вони будуть дифундовані.
2. Піддадуться хімічному розщепленню.
3. Повернуться назад у свої бульбашки (це називається зворотним захопленням).

Наприкінці 20-го століття зробили вражаюче відкриття. Вчені дізналися, що ліки, що впливають на нейромедіатори (а також їх викид і зворотне захоплення), можуть змінювати психічний стан людини докорінно. Так, наприклад, ряд антидепресантів на кшталт «» Прозака «» блокують зворотне захоплення серотоніну. Є певні причини вважати, що в хворобі Паркінсона винен дефіцит в головному мозку нейромедіатора дофаміну.

Зараз дослідники, які вивчають прикордонні стани людської психіки, намагаються розібратися, як же це все впливає на розум людини. Ну а поки ж у нас немає відповіді на таке фундаментальне питання: що ж змушує нейрон створювати потенціал дії? Поки механізм «запуску» цієї клітини для нас є секретом. Особливо цікавим з точки зору цієї загадки є робота нейронів головного мозку.

Якщо коротко, то вони можуть працювати з тисячами нейромедіаторів, які посилаються їх сусідами. Деталі щодо обробки та інтеграції даного типу імпульсів нам майже не відомі. Хоча над цим працює багато дослідницьких груп. На даний момент вийшло дізнатися, що всі отримані імпульси інтегруються, а нейрон виносить рішення — чи необхідно підтримувати потенціал дії і передавати їх далі. На цьому фундаментальному процесі базується функціонування головного мозку людини. Ну що ж, тоді це не дивно, що ми не знаємо відповіді на цю загадку.

Деякі теоретичні особливості

У статті «нервовий імпульс» і «потенціал дії» використовувалися як синоніми. Теоретично це вірно, хоча в деяких випадках необхідно враховувати деякі особливості. Так, якщо вдаватися в деталі, то потенціал дії є тільки частиною нервового імпульсу. При деталізованому розгляді вчених книг можна дізнатися, що так називають тільки зміну заряду мембрани з позитивного на негативний, і навпаки. Тоді як під нервовим імпульсом розуміють складний структурно-електрохімічний процес. Він поширюється по мембрані нейрона як біжуча хвиля змін. Потенціал дії — всього лише електричний компонент у складі нервового імпульсу. Він характеризує зміни, що відбуваються з зарядом локальної ділянки мембрани.

Де ж створюються нервові імпульси

Звідки вони починають свій шлях? Відповідь на це питання може дати будь-який студент, який старанно вивчав фізіологію збудження. Є чотири варіанти:

1. Рецепторне закінчення дендриту. Якщо воно є (що не факт), то можливим є наявність адекватного подразника, що створить спочатку генераторний потенціал, а потім вже і нервовий імпульс. Подібним чином працюють больові рецептори.
2. Мембрана збуджувального синапсу. Як правило, таке можливо тільки при наявності сильного роздратування або їх підсумовування.
3. Тригерна зона дентриду. У цьому випадку локальні збуджувальні постсинаптичні потенціали формуються як відповідь на подразник. Якщо перше перехоплення Ранв’є мієлінізовано, то вони на ньому підсумовуються. Завдяки наявності там ділянки мембрани, яка володіє підвищеною чутливістю, тут виникає нервовий імпульс.
4. Аксонний горбик. Так називають місце, де починається аксон. Холмік — це найбільш частий створити імпульсів на нейроні. У всіх інших місцях, які розглядалися раніше, їх виникнення набагато менш імовірне. Це відбувається через те, що тут мембрана має підвищену чутливість, а також знижений критичний рівень деполяризації. Тому, коли починається підсумовування численних збуджувальних постсинаптичних потенціалів, то раніше за все на них реагує горбик.

Приклад поширеного збудження

Розповідь медичними термінами може викликати нерозуміння окремих моментів. Щоб усунути це, варто коротко пройтися викладеними знаннями. Як приклад візьмемо пожежу.

Згадайте зведення з новин минулого літа (також це скоро можна буде почути знову). Пожежа поширюється! При цьому дерева і чагарники, які горять, залишаються на своїх місцях. А ось фронт вогню йде все далі від місця, де був осередок загоряння. Аналогічним чином працює нервова система.

Часто необхідно заспокоїти почалося збудження нервової системи. Але це не так легко зробити, як і у випадку з вогнем. Для цього здійснюють штучне втручання в роботу нейрона (в лікувальних цілях) або використовують різні фізіологічні засоби. Це можна порівняти із заливанням пожежі водою.