Нервовий імпульс, його перетворення і механізм передачі

Нервова система людини виступає своєрідним координатором в нашому організмі. Вона передає команди від мозку мускулатурі, органів, тканин і обробляє сигнали, що йдуть від них. В якості своєрідного носія даних використовується нервовий імпульс. Що він собою являє? З якою швидкістю працює? На ці, а також на низку інших питань можна знайти відповідь у цій статті.

Чим є нервовий імпульс?

Так називають хвилю збудження, що поширюється по волокнах як відповідь на подразнення нейронів. Завдяки цьому механізму забезпечується передача інформації від різних рецепторів до центральної нервової системи. А від неї, в свою чергу, до різних органів (м'язи та 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 нас цікавить процес відбувається в області синапсів. Швидкість нервового імпульсу може змінюватися в межах 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 Р. Гельмгольцем на прикладі жаби. Тоді ж і було встановлено, що біоелектричний сигнал поширюється із зазначеної раніше швидкістю. Взагалі, таке є можливим завдяки особливому побудови нервових волокон. В деякому сенсі 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 використовується організмом ліпопротеїд мієлін, який володіє властивостями діелектрика. При інших рівних умовах, чим більше буде його шар, тим швидше будуть проходити нервові імпульси. Навіть на даний момент не можна сказати, що ця система повноцінно досліджена. Багато чого, що відноситься до нервів і імпульсам, ще залишається загадкою і предметом дослідження.

Особливості будови і функціонування

Якщо говорити про шлях нервового імпульсу, то необхідно зазначити, що мієлінової оболонкою волокно покривається не по всій своїй довжині. Особливості побудови такі, що ситуацію найкраще буде порівняти із створенням ізолюючих керамічних муфт, що щільно нанизуються на стрижень електричного кабелю (хоча в даному випадку на аксон). Як результат – є невеликі неізольовані 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 ділянках, що не ізольовані. Цей процес називається перехопленням Ранвье. Наявність такого механізму дозволяє зробити так, щоб нервовий імпульс поширювався значно швидше. Давайте поговоримо про це на прикладах. Так, швидкість проведення нервового імпульсу в товстому миелинизированном волокні, діаметр якого коливається в межах 10-20 мікрон, становить 70-120 метрів за секунду. Тоді як у тих, у кого неоптимальна структура, цей показник менший у 60 разів!

Де вони створюються?

Нервові імпульси виникають у нейронах. Можливість створення таких «послань» є одним із основних їх властивостей. Нервовий імпульс забезпечує швидке поширення однотипних сигналів по аксонах на велику відстань. Тому це найважливіше засіб організму для обміну інформацією у ньому. Дані про подразнення передаються з допомогою зміни частоти їх прямування. Тут працює складна система періодики, яка може налічувати сотні нервових імпульсів в секунду. За кілька подібним принципом, хоча і значно ускладненому, працює комп'ютерна електроніка. Так, коли нервові імпульси виникають у нейронах, то вони певним чином кодуються, а тільки потім вже передаються. При цьому інформація групується в спеціальні «пачки», які мають різне число і характер проходження. 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. В залежності від їх структури та функціоналу виділяють три типи:

1. Рецепторні (чутливі). Ними кодуютьсяі перетворюються на нервові імпульси всі температурні, хімічні, звукові, механічні та світлові подразники.
2. Інтернейрони (також називаються кондукторными або замыкательными). Вони служать для того, щоб переробляти і перемикати імпульси. Найбільша їх кількість знаходиться в головному і спинному мозку людини.
3. Ефекторні (рухові). Вони отримують команди від центральної нервової системи на те, щоб були здійснені 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 покладена функція сприйняття подразнення розташованих на них рецепторів.
2. Аксони. Завдяки ним 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 перебувають у спокої, то, скажімо так, натрієво-калієвий насос займається переміщенням іонів таким чином, щоб досягти ефекту прісної води всередині і солоної зовні. Завдяки одержуваному 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 вийшло рівновага порушується, і іони починають мінятися місцями. Так відбувається, коли через неї проходить шлях нервового імпульсу. Завдяки активній дії іонів це 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 та його поширення, слід зазначити, що воно могло б становити жалюгідні міліметрів в секунду. Тоді б сигнали від руки до мозку доходили б за хвилини, що явно недобре. Ось тут і відіграє свою роль в посиленні потенціалу дії розглянута раніше оболонка з мієліну. А всі її «пропуски» розміщено 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 наступної клітці, або (якщо говорити про мозок) численних відгалужень нейронів. Ось в останніх випадках працює трохи інший принцип.

Як все працює в мозку?

Давайте поговоримо, яка передає 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 клітині. 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 особливим молекулярних рецепторів, що розташовані на мембрані. При цьому порушується рівноваги і, ймовірно, з'являється новий потенціал дії. Достовірно це ще не відомо, нейрофізіологи займаються изучениями питання і донині.

Робота нейромедіаторів

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

1. Вони будуть диффундированы.
2. Зазнають хімічного розщеплення.
3. Повернуться назад у свої бульбашки (це називається зворотним захопленням).

В кінці 20-го століття зробили вражаюче відкриття. Вчені дізналися, що ліки, що впливають на нейромедіатори (а також їх викид і зворотний захват), можуть змінювати психічний стан людини докорінно. Так, наприклад, ряд антидепресантів кшталт "Прозака" блокує зворотне захоплення серотоніну. Є певні причини вважати, що у хвороби Паркінсона винен дефіцит в головному мозку нейромедіатора дофаміну.

Зараз дослідники, які вивчають прикордонні стани людської психіки, пробують 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» клітини для нас є секретом. Особливо цікавим з точки зору даної загадки є робота нейронів головного мозку.

Якщо коротко, то вони можуть працювати з тисячами нейромедіаторів, які надсилаються їх сусідами. Деталі щодо обробки та інтеграції даного типу імпульсів нам майже невідомі. Хоча над цим працює багато дослідницьких груп. На даний момент вийшло дізнатися, що всі отримані імпульси інтегруються, а нейрон виносить рішення – 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 в якості синонімів. Теоретично це вірно, хоча в деяких випадках необхідно враховувати деякі особливості. Так, якщо вдаватися в деталі, то потенціал дії є лише частиною нервового імпульсу. При деталізованому розгляді вчених книг можна дізнатися, що так називають тільки зміна заряду мембрани з позитивного на негативний, і навпаки. Тоді як під нервовим імпульсом розуміють складний структурно-електрохімічний процес. Він поширюється по мембрані нейрона як біжить хвиля змін. Потенціал дії – лише електричний компонент у складі нервового імпульсу. Він характеризує зміни, що відбуваються з зарядом локального 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 дендрита. 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 збудливого синапсу. Як правило, таке можливо тільки при наявності сильного роздратування або їх підсумовування.
3. Тригерна зона дентрида. У цьому випадку локальні збудливі постсинаптичні потенціали формуються як відповідь на подразник. Якщо перший перехоплення Ранвье миелинизирован, то вони на ньому підсумовуються. Завдяки наявності там ділянки мембрани, яка володіє підвищеною чутливістю, тут виникає нервовий імпульс.
4. Аксонний горбок. Так називають місце, де починається аксон. Горбок – це найбільш частий створити імпульсів на нейроні. У всіх інших місцях, які розглядалися раніше, їх виникнення набагато менш ймовірне. Це відбувається з-за того, що тут мембрана має підвищену чутливість, а також знижений критичний рівень деполяризації. Тому, коли починається підсумовування численних збуджуючих постсинаптичних потенціалів, то раніше всього на них реагує горбок.

Приклад поширення збудження

Розповідь медичними термінами може викликати нерозуміння окремих моментів. Щоб усунути це, варто коротко пройтися по викладених знань. В якості прикладу візьмемо пожежа.

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