Вы здесь

Биоэлектрические потенциалы нервных стволов и волокон

Методы электрофизиологических исследований очень широко используются при изучении функций нервной системы вообще и нервных стволов в частности, потому что электрические потенциалы нервных клеток и волокон есть единственный прямой показатель их деятельности. Вся современная нейрофизиология сложилась и продолжает развиваться на основе фактов, добытых преимущественно методами электрофизиологии.

Исследование электрической активности нервных стволов и волокон, связывающих центральную нервную систему с рабочими органами или рецепторы с центральной нервной системой, представляет огромный интерес, так как позволяет судить о функциональном состоянии как нервных центров, так и периферических рецепторных систем.

С целого нервного ствола, как и с мышцы, можно зарегистрировать токи покоя и токи возбуждения или распространяющиеся потенциалы. Для их измерения и регистрации применяются электроды и регистрирующие приборы, аналогичные тем, которые применяются при регистрации и измерении потенциалов с мышц. Применение безынерционных электронных осциллографов, позволяющих записать быстро протекающие процессы с большой скоростью развертки, дало возможность расчленить общий суммарный потенциал нерва на составные потенциалы отдельных нервных волокон, отличающихся друг от друга своими физиологическими свойствами. Основные заслуги в этом отношении принадлежат Эрлангеру и Гассеру, которые провели свои исследования в 1937 г. Им удалось сделать это двумя основными способами: расположением отводящих электродов на различном расстоянии от раздражающих и применением различной силы раздражения нервного ствола.



Выделение потенциалов действия разных групп волокон из общего тока действия сидалищного нерва лягушки путем изменения расстояния между раздражающими и отводящими электродами

Если на седалищном нерве лягушки расположить раздражающие электроды на расстоянии около 12 мм от отводящих, то при максимальном раздражении можно зарегистрировать быстро протекающий потенциал действия, продолжающийся примерно в течение 1,5 мс (рис. 47). При постепенном удалении отводящих электродов от раздражающих (на 31, 46, 62, 82 мм) при той же силе раздражения можно получить как бы разложение этой общей кривой потенциала действия на составные элементы. Такое «расщепление» объясняется различной скоростью проведения возбуждения нервного импульса по волокнам, входящим в состав общего нервного ствола. При малом расстоянии между раздражающими и отводящими электродами зарегистрируется общий потенциал от всех проводящих волокон, при большем удалении отводящих электродов до них «раньше» добежит импульс от быстропроводящих волокон и с некоторым отставанием от волокон, более медленно проводящих возбуждение; если же отводящие электроды отнести еще дальше, можно зарегистрировать и третью волну возбуждения от наиболее медленно проводящих волокон. Эрлангер и Гасеер для разделения волокон применяли и другой способ, состоящий в изменении силы раздражения. Как показывают исследования, волокна, входящие в нервный ствол, обладают не только различной скоростью проведения возбуждения, но и различной возбудимостью. Если применить одиночное не слишком сильное раздражение, то зарегистрируется одна волна возбуждения (рис. 48, А). Если же увеличить силу раздражения, то можно зарегистрировать и вторую волну, которая возникает вследствие возбуждения менее возбудимых волокон (рис, 48, Б).

Потенциалы возбуждения сидалищного нерва лягушки при различной силе раздражения

Подробный анализ этих явлений дал возможность установить прежде всего зависимость возбудимости и скорости проведения возбуждения от толщины нервных волокон: оказалось, что чем толще нервные волокна, тем быстрее они проводят нервный импульс и тем выше их возбудимость. Наряду с этим толстые волокна оказались дающими и более высокую амплитуду пиковых потенциалов. Было установлено, что амплитуда пика пропорциональна скорости проведения возбуждения и квадрату диаметра волокна. Такая закономерность свойственна нервным волокнам холоднокровных и теплокровных позвоночных животных. У беспозвоночных отмечаются существенные отклонения от этого закона. Оказалось, в частности, что в гигантских волокнах краба, червя, таракана, кальмара возникают потенциалы, мало чем отличающиеся от потенциалов нервного волокна лягушки, которое имеет диаметр во много десятков раз меньший.

На основании подробного изучения электрофизиологических показателей различных нервных волокон и их физиологических свойств Эрлангер и Гассер разделили все нервные волокна на три основные группы, названные ими волокнами А, В я С. В свою очередь эти группы волокон могут быть подразделены на подгруппы.

У млекопитающих группу А составляют миелиновые волокна соматического происхождения. Среди них имеются как афферентные, так и эфферентные волокна. Диаметр этих волокон варьирует от 22 до 1 мкм, а скорость проведения возбуждения от 80—120 м/с (α-волокна) до 15 м/с (δ-волокна). Промежуточное место по толщине и скорости проведения в этой группе занимают β-(40—70 м/с) и γ-волокна (15—40 м/с). Волокна группы А генерируют высоковольтные потенциалы, во много десятков раз более высокоамплитудные, чем генерируемые волокнами группы В и С.

Схематическое изображение составных частей потенциала действия седалищного нерва

К волокнам группы В относятся более тонкие (менее 4 мкм) миелиновые волокна, которые проводят возбуждение со скоростью от 15 до 3 м/с. Наконец, в группу С включаются тонкие (от 1,2 до 0,4 мкм) немиелинизированные волокна, проводящие возбуждение наиболее медленно (от 2 до 0,5 м/с). Соотношение длительности и амплитуды потенциалов генерируемых этими группами волокон показано на рис. 49. Величина потенциалов выражена на этой кривой в относительных единицах, тем самым подчеркивается, что если принять потенциалы волокон С за единицу, то потенциалы, генерируемые волокнами А (подгруппы а), достигают 175 единиц. Представлена и длительность пикового потенциала различных волокон (spike, спайка): если длительность пикового потенциала волокон а равна 0,4—0,5 мс, а всех волокон группы А не превышает 1 мс, то длительность потенциалов действия (вместе со следовыми потенциалами) волокон В и С может составлять много десятков миллисекунд. На рис. 50 представлена схема распределения различных групп нервных волокон в организме. Схематично представлены смешанный нерв, отходящий от спинного мозга, и его составные элементы: задние и передние корешки, соединительные ветви к пограничному симпатическому стволу (белые ветви) и от этого ствола (вертебральных ганглиев симпатической нервной системы) к общему смешанному спинно-мозговому нерву.

Распределение волокон разных групп по корешкам спинного мозга, белых и серых соединительных веточках

Ма рис. 50 показаны тйпы волокон, входящих в разные части проводящей системы, и скорость проведения возбуждения в этих волокнах. В состав задних (Чувствительных) корешков входят волокна группы А (α, β, γ, δ), проводящие возбуждение с большой скоростью (от 25 до 100 и более м/с), а также медленно проводящие волокна (0,5—2 м/с) группы С. Двигательные корешки, проводящие возбуждение к мышцам, представлены исключительно α-волокнами; низковольтные потенциалы регистрируются лишь со смешанного нервного ствола или серых соединительных ветвей, следовательно, по волокнам С и, возможно, В проводятся импульсы от симпатической нервной системы. На рис. 50 представлены средние значения скоростей проведения, а также пределы варьирования (указаны слева).

Если записать нервный импульс при достаточно быстрой развертке (имеется в виду монополярное отведение), то кривая этого импульса имеет сложный характер (рис. 51):

Схема составных компонентов волны возбуждения нервного волокна

сразу после раздражения регистрируется быстрое, протекающее в течение долей миллисекунды (0,4—0,5) или одной миллисекунды колебание высокой амплитуды, которое называется пиком или спайком потенциала. Ему, как правило, предшествует относительно медленная деполяризация, которую обозначают как местный процесс (в этот момент постепенно повышается проницаемость мембраны по отношению к ионам натрия). По достижении определенной пороговой степени деполяризации возникает пиковый потенциал, т. е. происходит лавинообразное движение ионов натрия внутрь волокна, и не только деполяризация, но и реверсия потенциала на мембране нервного волокна. Вслед за пиковым потенциалом регистрируются следовые, медленные потенциалы, которые отражают процессы восстановления рабочих механизмов нерва после прохождения волны возбуждения. Следовые потенциалы оказываются в сотни и тысячи раз длительнее, а по амплитуде в десятки и сотни раз меньшими, чем пиковые. Различают отрицательный и положительный следовые потенциалы. В n. saphenus кошки пик длится 0,5 мс, отрицательный следовой потенциал 15 мс, а положительный следовой потенциал 60 мс. Отрицательный следовой потенциал начинается еще до окончания пикового потенциала. Он способен к суммации и быстро увеличивается при повторных прохождениях импульсов, в то время как амплитуда пиков может при этом уменьшаться.

Электрическая активность поперечнополосатых и гадких мышц

Если наносить на нерв два следующих друг за другом (через различные интервалы времени) раздражения, то удается сопоставить изменения возбудимости нерва с различными фазами протекания электрического потенциала. Оказалось, что пику соответствует рефрактерный период (очевидно, восходящему колену — абсолютный рефрактерный период, а нисходящему — относительный), периоду отрицательного следового потенциала соответствует период повышенной возбудимости (супернормальный, или период экзальтации, по Н. Е. Введенскому), а следовой положительный потенциал — субнормальному, т. е. периоду нового снижения возбудимости (рис. 52). Потенциалы нервных волокон изменяются под влиянием факторов, действующих на физико-химические и метаболические процессы, которые лежат в основе генерации тока. Так, их амплитуда меняется в прямой, а длительность — в обратной зависимости от температуры в определенных пределах ее колебания, т. е. с повышением температуры повышается амплитуда потенциалов и несколько уменьшается длительность их протекания и, наоборот, при понижении температуры снижается амплитуда и увеличивается продолжительность отдельных компонентов кривой.



Изменения возбудимости нервного волокна в различные фазы развития потенциала действия и следовых изменений мембранного потенциала

Ацетилхолин, адреналин, кофеин, стрихнин вначале увеличивают, а затем уменьшают амплитуду и увеличивают продолжительность токов действия нерва. Наркотики избирательно растягивают восходящее колено пика и мало влияют на нисходящее, в то время как вератрин, наоборот, резко изменяет нисходящее колено, не изменяя восходящего, и значительно увеличивает длительность следовых потенциалов. Иохимбин избирательно удлиняет положительный следовой потенциал. Недостаток кислорода и разные воздействия, понижающие окислительные процессы, приводят к снижению электрической активности нерва, причем в первую очередь угнетаются следовые потенциалы (подтверждение их связи с метаболизмом).

При ритмическом раздражении нерва, так же как и при ритмическом раздражении поперечно-полосатой мышцы, в нем генерируются ритмические потенциалы, частота которых опять-таки до известного предела повторяет частоту раздражения стимулов. Но, как и для мышцы, нерву свойствен определенный предел способности воспроизведения высоких частот. Этот предельный ритм возбуждений, который может воспроизводиться нервом в соответствии с ритмом наносимых раздражений, является, по Введенскому, мерилом лабильности нерва; как известно, лабильность нерва (в связи с краткостью протекания отдельного пикового потенциала) значительно выше, чем лабильность мышцы, и может достигать 600, а возможно и более в секунду.

Широкое применение в последние годы микроэлектродной техники, а также исследования на гигантском волокне кальмара позволили установить важнейшие свойства мембран и их роль в генерации потенциалов возбуждения, в проведении нервных импульсов, в регуляции ионных потоков. В частности, было установлено, что в активации ионных каналов мембраны важнейшую роль играют ионы кальция.

Уже относительно давно было известно, что в отличие от большинства возбудимых образований, для которых механизм генерации потенциала действия связан с натриево-калиевыми потоками, в мышечных волокнах ракообразных входящий ток создается ионами кальция. До последних лет считали, что мышечные волокна ракообразных являются в этом отношении почти единственным исключением. Однако в настоящее время установлено, что такой же кальциевый механизм генерации потенциала действия имеют волокна гладких мышц кишечника, матки, сосудов, миокардиальных клеток различных отделов сердца, многие нейроны моллюсков и позвоночных животных. Показано, что в мембранах всех этих клеток имеются особые кальциевые (медленные) или смешанные натрий-кальциевые каналы, которые могут быть разделены действием специальных блокаторов. Если в мышцах ракообразных кальциевый механизм генерации потенциала действия является единственным (потенциал действия может нормально возникать в безнатриевой среде, но при обязательном наличии ионов кальция в окружающей среде), то для других вышеназванных клеток и волокон кальциевый механизм существует наряду с натриевым. Исследования последних лет показывают, что медленные кальциевые каналы существуют и в мембране гигантского волокна кальмара, и, очевидно, других нервных волокон. В этих случаях, однако, кальциевые каналы не принимают участия в генерации потенциала действия (его можно наблюдать лишь в искусственных условиях, изменяя химический состав среды, окружающей аксон, или перфузируя аксон бескалиевым раствором). Кальциевый ток, по-видимому, играет важную роль в регуляции тех конформационных изменений мембраны, которые происходят в процессе активации и инактивации натриевых и калиевых каналов. Особое значение кальциевый ток имеет в механизме передачи возбуждения в синапсах. Установлено, что если затормозить вхождение ионов кальция в аксон при помощи ионов марганца или магния, то выброс медиатора из пресинаптических окончаний может быть полностью блокирован. Наиболее полные обзоры современных данных о тех процессах, которые происходят на мембране нервных волокон и клеток, сделаны в монографии И. Тасаки (1971) и в руководстве Б. И. Ходорова (1975).

Изучение электрической активности нервных стволов и волокон обычно проводилось в острых опытах, и все те данные, которые рассмотрены выше, получены именно в острых или даже модельных опытах. Совершенно очевидно, что острые опыты не позволяют регистрировать электрическую активность нервов при нормальном функционировании рецепторных приборов и различных отделов центральной нервной системы. Если было бы возможно регистрировать электрическую активность нервов в условиях хронического опыта, электронейрография могла бы занять такое же важное место в исследовательской работе (а возможно и клинической практике), как электромиография, электрокардиография, а также электроэнцефалография.

Можно привести лишь отдельные примеры электрофизиологического исследования нервов в условиях хронического опыта.

Так, в частности, в последние годы все более широкое применение в клинике нервных болезней приобретает метод определения скорости распространения возбуждения по периферическим нервам у человека, на котором основаны также способы оценки нервно-мышечной передачи возбуждения и рефлекторной возбудимости социальных мотонейронов.

Скорость распространения возбуждения, например, в локтевом нерве человека может быть определена на основании записи мышечных потенциалов действия при раздражении (через кожу) локтевого нерва в двух точках, одна из которых расположена выше локтя, вторая около запястья. Потенциалы действия регистрируются с электродов, размещенных на отводящей мышце и мышце-сгибателе мизинца (на расстоянии около 3 ом друг от друга). Запись потенциалов проводят после нахождения тех точек, раздражение которых вызывает движение мизинца. Пользуясь ждущей разверткой, определяют время проведения возбуждения от каждой точки раздражения до пальца (от артефакта раздражения до начала мышечного потенциала действия). Зная скорость развертки луча осциллографа, легко рассчитать скорость проведения по нерву из соотношения V—S/(T1—Т2) где V — скорость распространения возбуждения, S — расстояние между точками раздражения, Т1 — время проведения возбуждения от локтя до пальца и Т2 — время проведения от запястья до пальца.

Определение скорости проведения возбуждения по нервам у человека позволяет выявить самые незначительные нарушения функции проводимости и даже дифференцировать природу этих нарушений (они могут быть связаны с дегенерацией аксонов или изменениями миелинизации волокон).



Регистрация электрических потенциалов действия мышцы в ответ на раздражение нервного ствола (М-ответа) имеет и специальное клиническое значение. В норме форма кривой M-отвега близка к двухфазной или трехфазной (первая фаза — слабое позитивное отклонение). Но при нервно-мышечной патологии М-ответ может приобретать характер полифазной кривой или иметь гребневидную зубчатость, увеличенную длительность или сниженную амплитуду и т. п.

При раздражении большеберцового нерва у человека (через кожные покровы) может быть зарегистрирован не только потенциал действия мышцы в результате возбуждения двигательных волокон (моторный или М-ответ), но и рефлекторный моносинаптический потенциал (как следствие возбуждения афферентных волокон), который получил название Н-рефлекса по имени автора (Hoffman), впервые его описавшего. Н-рефлекс регистрируется при силе раздражения, недостаточной для получения М-ответа через латентный период 26—30 мс и имеет обычно форму двух- или трехфазного (иногда более сложного) колебания, мало отличающуюся от М-ответа. Амплитуда Н-ответа повышается при дальнейшем увеличении силы раздражения и достигает наибольшего значения при субмаксимальном раздражении. Но в этом случае наряду с Н-рефлексом начинает регистрироваться и прямой ответ мышцы на раздражение двигательных воло,кон (М-ответ) с латентным периодом 4—6 мс. Если интенсивность раздражения еще более возрастает, то М-ответ повышается, в то время как рефлекторная реакция мышцы (Н-рефлекс) уменьшается вплоть до полного исчезновения. Полагают, что это угнетение Н-рефлекса обусловлено антидромной блокадой аксонов или тел мотонейронов и развитием центрального торможения. Следовательно, для изолированной регистрации М-ответа или Н-рефлекса необходима различная интенсивность стимуляции нерва. С другой стороны, вследствие меньшей лабильности синапсов центральной нервной системы частота раздражения нерва для получения устойчивой амплитуды Н-рефлекса должна быть значительно более низкой (не выше 3—4 в минуту), чем для получения М-ответа.

Регистрация Н-рефлекса позволяет точно характеризовать уровень рефлекторной возбудимости спинальных мотонейронов и оценивать изменения нисходящих влияний при различных формах патологии нервной системы.

Ритмическая стимуляция нервных стволов у человека и регистрация при этом токов действия мышц позволяет также оценить состояние мионевральной синаптичеокой передачи возбуждения. Так, при миастении, характеризующейся повышенной мышечной утомляемостью, отмечается быстрое снижение амплитуды М-ответов уже при низких частотах раздражения (5—10 в секунду). При некоторых же заболеваниях, внешне проявляющихся типичной миастенией (например, при мелкоклеточной карциноме бронха), в ходе ритмичной стимуляции нерва отмечается не снижение, а нарастание амплитуды М-ответа (потенциалов действия). Тем самым регистрация М-ответов при ритмичном раздражении нервных стволов в ряде случаев позволяет дифференцировать природу нарушений нервно-мышечного аппарата.

При стимуляции нервных стволов человека через кожные покровы удается зарегистрировать и потенциалы действия нервов (обычно три помощи игольчатых электродов). Если в этих случаях раздражению подвергаются нервные окончания (например, пальцы рук), а регистрация потенциалов осуществляется с проксимально расположенных точек нерва, то по разности латентных периодов потенциалов действия нерва возможно определение скорости проведения возбуждения по афферентным волокнам. Однако амплитуда потенциалов действия, регистрируемых с нервных стволов в подобных условиях, не превышает в норме 50 мкВ, а в условиях патологии может снижаться до уровня собственного шума усилителя и поэтому данная методика требует применения весьма совершенной электрографической установки.

Пример регистрации электрической импульсации с ободочного нерва собаки в хроническом опыте при помощи вживленных в нерв электродов

В настоящее время предложен ряд способов регистрации потенциалов нервов в хронических опытах на животных с помощью вживленных в нерв электродов. Опыты, проведенные, в частности, на кафедре физиологии Воронежского университета, подтверждают, что этот метод в сочетании с холодовой блокадой афферентных или эфферентных волокон открывает большие возможности для изучения состояния и деятельности центральной нервной системы и рецепторных приборов в самых различных условиях (рис. 53). Можно с уверенностью предсказать, что подобная методика в ближайшие годы получит широкое распространение.