Потенциал действия

С конца XVIII в. было известно, что нервные импульсы передаются благодаря электричеству, но оставалось загадкой, каков механизм возникновения электрического сигнала в нервной клетке.

Итальянский врач и биолог Луиджи Гальвани продемонстрировал в 1790-х гг., как нервы и мышцы стимулирует некая разновидность электричества. Впоследствии исследователи обнаружили, что если подвести электрод к мозгу, тело человека демонстрирует широкий спектр реакций. Например, на лице может возникнуть неестественное выражение. В 1875 г. Ричард Катон зафиксировал электрическое поле, которое генерировал мозг обезьян и кроликов. Но как возникали электрические импульсы?

Необъятная нервная ткань

Прорыв произошел, когда два английских исследователя, Эндрю Хаксли и Алан Ходжкин, стали изучать нервную систему кальмара. Животное выбрали за необычайно крупный аксон. Его диаметр составляет всего 0,5 мм, но длина равняется длине тела животного. Ученые изучили гигантский нерв с помощью метода фиксации напряжения. Они изменили напряжение аксона и зафиксировали, как это влияет на движение заряженных частиц, ионов, в нерв и из него. Хаксли и Ходжкин начали исследование в 1930-х гг., но им помешала Вторая мировая война.

В 1952 г. они представили результаты. Ученые обнаружили, что нервная клетка, или нейрон, значительную часть времени бездействует, но при необходимости послать сигнал с помощью ионов калия, натрия и хлора создает резкий скачок электрического потенциала, который передается по аксону.

Потенциал покоя

Нейрон в неактивном состоянии считают пребывающим в покое. В этом состоянии у него отрицательный заряд внутри и положительный снаружи благодаря тому, что некоторые заряженные ионы могут проходить через полупроницаемую мембрану клетки, а другие нет. Отрицательно заряженные ионы хлора не могут покинуть клетку, создавая, таким образом, отрицательный заряд внутри.

Потенциал действия идет по аксону со скоростью около 150 м/сек.

Положительно заряженные ионы калия свободно перемещаются через мембрану в любом направлении, а потому могут наполнить клетку и выровнять разницу зарядов с любой стороны. Кроме того, аксон пропускает положительно заряженные ионы натрия быстрее, чем проникают внутрь положительно заряженные ионы калия. Все эти перемещения требуют энергии, что отчасти объясняет, почему человеческому мозгу нужно 20 % запаса топлива тела. Питание необходимо мозгу, даже когда он, казалось бы, почти ничего не делает. Разница в напряжении внутри и снаружи аксона называется потенциалом покоя и составляет около -70 милливольт (мВ).

Химический стимул

Если аксон получает инструкцию отправить сигнал, химический стимул от нейрона открывает каналы в мембране аксона рядом с главной частью клетки. Открытые каналы позволяют положительно заряженным ионам натрия вернуться в клетку, изменяя потенциал в этой части аксона. Если потенциал превышает критический уровень в -55 мВ, процесс ускоряется, и открывается больше каналов для натрия. Тогда снаружи аксона наблюдается отрицательный заряд, а внутри — положительный.

Алан Ходжкин в своей лаборатории в 1963 г. — в год, когда он получил Нобелевскую премию совместно с Эндрю Хаксли и Джоном Экклсом

Итак, полярность поменялась. Затем система возвращается в нормальное состояние, ионы натрия выходят из аксона, и восстанавливается потенциал покоя. Но изменение полярности передается дальше по аксону, повторяя процесс снова и снова и создавая пик «потенциала действия». Пик — это нервный импульс, а потенциал действия двигательного нейрона заставляет мышцы сокращаться.