Фазовые изменения возбудимости биологических тканей: механизмы, динамика и функциональное значение

В мире живых организмов, где информация передается со скоростью мысли, а движения совершаются с поразительной точностью, центральное место занимает удивительное свойство – возбудимость. Это не просто способность реагировать на внешние воздействия, а фундаментальный механизм, позволяющий нервным волокнам передавать сигналы, мышцам – сокращаться, а железам – секретировать. Глубинное понимание возбудимости и, в частности, ее динамических фазовых изменений в ходе одиночного цикла возбуждения (потенциала действия), является краеугольным камнем в физиологии. Оно открывает двери к разгадке сложных процессов, лежащих в основе восприятия, движения и регуляции внутренних органов.

Данный реферат призван систематизировать и углубить знания о механизмах изменения возбудимости биологических тканей. Мы подробно рассмотрим не только базовые определения и количественные характеристики, но и погрузимся в ионные механизмы, лежащие в основе каждой фазы потенциала действия, проследим, как эти фазы влияют на способность ткани к повторному возбуждению, и оценим их колоссальное функциональное значение. Особое внимание будет уделено современным экспериментальным методам, позволяющим изучать эти тонкие процессы на молекулярном уровне, что имеет не только академическую, но и огромную клиническую значимость, например, в разработке новых подходов к лечению аритмий и нейромышечных расстройств.

Возбудимость тканей: ключевые понятия и количественные характеристики

Путешествие в мир возбудимости начинается с осмысления фундаментальных терминов, определяющих способность живых систем отвечать на стимулы, ведь это свойство, присущее каждому организму, лежит в основе всех жизненных функций, от простейшей реакции одноклеточного до сложнейших мыслительных процессов.

Что такое возбудимость?

В физиологии под раздражимостью понимают универсальное свойство всех без исключения живых тканей реагировать на внешние или внутренние изменения среды изменением своего состояния. Это базовая способность к адаптации и выживанию. Однако, у высокодифференцированных тканей, таких как нервная, мышечная и железистая, раздражимость приобретает более специализированную форму, трансформируясь в возбудимость.

Возбудимость — это специфическое свойство ткани отвечать на раздражение высокоспециализированной реакцией, известной как возбуждение. Сам процесс возбуждения представляет собой комплексную ответную реакцию, при которой живой объект переходит из состояния относительного физиологического покоя в состояние активной функциональной деятельности. Это сопровождается целым каскадом изменений: активизацией обменных процессов, генерацией характерных электрических потенциалов и проявлением специфической функциональной активности – например, передачей нервного импульса, мышечным сокращением или секрецией гормонов. Нервная, мышечная и железистая ткани являются классическими примерами возбудимых тканей, чья работа напрямую зависит от этой способности.

Потенциал действия как основа возбуждения

В сердце механизма возбуждения лежит феномен, известный как потенциал действия (ПД). Это не просто электрический всплеск, а быстрая, кратковременная и самораспространяющаяся волна изменения мембранного потенциала, которая служит универсальным языком для передачи информации в нервных и мышечных клетках. Возникновение ПД обусловлено драматическими изменениями проницаемости клеточной мембраны для различных ионов.

Ключевой особенностью потенциала действия является его соответствие закону «все или ничего». Этот принцип гласит, что при допороговых раздражениях, то есть стимулах, недостаточных для запуска возбуждения, реакции не происходит вовсе. Однако, как только сила раздражителя достигает порогового значения, возникает максимальный по амплитуде ответ, который не может быть усилен, даже если сила раздражения будет значительно превышать пороговую. Это означает, что клетка либо генерирует полноценный потенциал действия, либо не генерирует его вообще.

Количественные показатели возбудимости

Для точного измерения и сравнения возбудимости различных тканей в физиологии используются специальные количественные характеристики, позволяющие объективно оценить их реактивность.

Порог раздражения (или порог возбуждения) – это минимальная интенсивность стимула, которая способна вызвать ответную реакцию (возбуждение) в клетке или ткани. Существует обратная зависимость: чем ниже порог возбуждения, тем выше возбудимость ткани, и наоборот. Это интуитивно понятная метрика: высоковозбудимая ткань отреагирует на едва заметный стимул, тогда как менее возбудимая потребует более мощного воздействия.

Реобаза является одной из фундаментальных характеристик порога раздражения. Она определяется как минимальная сила электрического тока (раздражителя), которая при неограниченно долгом приложении способна вызвать возбуждение ткани. На кривой «сила-длительность» (графике, показывающем зависимость между силой раздражителя и минимальным временем его действия, необходимым для возбуждения) реобаза соответствует горизонтальному отрезку, где дальнейшее увеличение длительности стимула не уменьшает требуемую силу. В клинической практике реобаза служит важным критерием возбудимости: большая реобаза указывает на сниженную возбудимость ткани.

С реобазой тесно связано понятие полезного времени – это минимальный временной интервал, в течение которого раздражитель пороговой силы (реобазы) должен действовать, чтобы вызвать возбуждение.

Одним из наиболее информативных и широко используемых количественных показателей является хронаксия. Это минимальное время, необходимое для возбуждения нервной или мышечной ткани постоянным электрическим током, сила которого вдвое превышает пороговую (две реобазы). Понятие хронаксии было введено французским физиологом Луи Лапиком в 1909 году и до сих пор является важным инструментом в физиологических исследованиях. Чем короче хронаксия, тем выше возбудимость ткани, поскольку она быстрее реагирует на надпороговый стимул.

Рассмотрим конкретные значения хронаксии для различных тканей, что демонстрирует их индивидуальные особенности:

Ткань	Типичная хронаксия (мс)	Особенности
Двигательные нервные волокна	0,05 – 0,2	Обладают очень высокой возбудимостью, что критически важно для быстрой передачи команд от центральной нервной системы к мышцам.
Скелетные мышцы человека	0,1 – 0,7	Значения близки к двигательным нервам, что логично, учитывая их функциональную связь. Интересно, что хронаксия сгибателей, как правило, в 1,5-2 раза меньше, чем у разгибателей, что может быть связано с их большей готовностью к быстрому сокращению.
Сердечная мышца	Более длинная	По сравнению со скелетными мышцами, хронаксия миокарда значительно длиннее. Это имеет жизненно важное значение, так как обеспечивает более продолжительный рефрактерный период, предотвращая тетаническое сокращение и позволяя сердцу ритмично расслабляться и наполняться кровью.
Симпатические нервные волокна	До 5	Эти волокна, входящие в состав вегетативной нервной системы, характеризуются относительно низкой возбудимостью и, соответственно, более длинной хронаксией, что отражает их роль в медленной, тонической регуляции функций органов.
Гладкие мышцы	Самая длинная	Обладают самой длинной хронаксией, что соответствует их медленным, продолжительным сокращениям, обеспечивающим, например, перистальтику кишечника или тонус сосудов.

Еще одним важным показателем является лабильность (функциональная подвижность). Она определяется как максимальная частота следования циклов возбуждения, которую ткань способна воспроизводить без искажения. Проще говоря, это скорость, с которой ткань может генерировать последовательные потенциалы действия. Существует прямая связь: чем выше возбудимость ткани, тем выше ее лабильность. Например, лабильность нерва может достигать 1000 Гц, скелетных мышц – 250-500 Гц, тогда как синапсов – около 100 Гц. Эта разница отражает функциональные особенности каждого типа ткани и их роль в общей системе передачи информации.

Потенциал действия: фазы, ионные механизмы и динамика мембранного потенциала

Понимание возбудимости невозможно без детального изучения потенциала действия – динамического электрического события, лежащего в основе коммуникации в возбудимых тканях. Разберем его фазы, словно главы захватывающей истории, каждая из которых имеет свой уникальный ионный сценарий.

Мембранный потенциал покоя (МПП)

Перед тем как клетка «оживает» и генерирует потенциал действия, она находится в состоянии покоя, поддерживая мембранный потенциал покоя (МПП). Это состояние характеризуется наличием разности электрических потенциалов между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны, при этом внутри клетки заряд отрицательный (от -50 до -100 мВ) относительно внешней среды.

Формирование МПП – это сложный танец ионов, регулируемый несколькими механизмами:

1. Неравномерное распределение ионов: В состоянии покоя внутри клетки преобладают ионы калия (K⁺) и отрицательно заряженные белки, а снаружи – ионы натрия (Na⁺) и хлора (Cl⁻).
2. Избирательная проницаемость мембраны: Клеточная мембрана в покое гораздо более проницаема для ионов K⁺ (благодаря постоянно открытым калиевым каналам утечки) и практически непроницаема для Na⁺. Это позволяет K⁺ выходить из клетки по градиенту концентрации, делая внутреннюю сторону мембраны более отрицательной.
3. Работа Na⁺/K⁺-насоса: Этот активный транспортный механизм непрерывно выкачивает три иона Na⁺ из клетки и закачивает два иона K⁺ внутрь, используя энергию АТФ. Насос не только поддерживает ионные градиенты, но и вносит небольшой вклад в МПП, создавая чистый отток положительного заряда.

Типичные значения МПП значительно варьируются в зависимости от типа клетки, отражая ее специфические функции:

Тип клетки	Мембранный потенциал покоя (мВ)
Нейроны	около -70
Клетки скелетных мышц	около -90
Кардиомиоциты	около -90
Нейроглия	-90
Гладкие мышцы	от -30 до -70
Невозбудимые ткани	около -40

Эти различия в МПП имеют решающее значение для определения порога возбуждения и характеристик потенциала действия в каждой конкретной ткани.

Фаза деполяризации и инверсии (овершут)

Под воздействием достаточно сильного раздражителя мембранный потенциал начинает сдвигаться в положительную сторону, достигая так называемого критического уровня деполяризации. Этот момент становится точкой невозврата, запуская стремительную фазу деполяризации, восходящую часть пика ПД.

Суть деполяризации заключается во внезапном и резком увеличении проницаемости мембраны для ионов натрия. Это происходит благодаря массовому открытию потенциалзависимых натриевых каналов (точнее, их m-ворот). Ионы Na⁺, подчиняясь мощному электрохимическому градиенту (внутри клетки их мало, снаружи много; внутри отрицательный заряд, снаружи положительный), устремляются внутрь клетки. Поток положительно заряженных ионов Na⁺ нейтрализует отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны, и мембранный потенциал быстро уменьшается, приближаясь к нулю.

В кульминационный момент деполяризации, когда внутриклеточный заряд становится положительным, а внешний – отрицательным, наступает фаза инверсии, или овершут. Это означает, что мембрана не просто теряет свою поляризацию, но и изменяет ее знак на противоположный. Максимальное значение мембранного потенциала в этой фазе может достигать +55 мВ. Амплитуда всего потенциала действия, измеряемая от МПП до пика овершута, колеблется в пределах 80-130 мВ. У нервных клеток она обычно составляет 100-110 мВ, а у скелетных и сердечной мышц – 110-120 мВ.

Фаза реполяризации

После стремительного взлета деполяризации следует не менее динамичная фаза реполяризации, нисходящая часть пика ПД, целью которой является восстановление исходного отрицательного заряда внутри клетки. Этот процесс также регулируется сложным взаимодействием ионных каналов:

1. Инактивация натриевых каналов: Практически сразу после открытия (или с небольшой задержкой) потенциалзависимые натриевые каналы начинают закрываться (инактивируются их h-ворота), что резко прекращает приток Na⁺ в клетку.
2. Активация калиевых каналов: Одновременно с инактивацией натриевых каналов начинают открываться потенциалзависимые калиевые каналы. Это приводит к значительному увеличению проницаемости мембраны для K⁺.
3. Выход K⁺ из клетки: Ионы K⁺, следуя по электрохимическому градиенту (внутри клетки их много, и теперь, когда внутри стало положительно, они отталкиваются), начинают активно выходить из клетки. Этот отток положительного заряда восстанавливает отрицательный потенциал на внутренней поверхности мембраны, возвращая ее к исходному состоянию покоя.

Таким образом, фаза реполяризации – это контролируемый процесс восстановления электрического равновесия, критически важный для подготовки клетки к новому циклу возбуждения.

Следовые потенциалы: гиперполяризация и деполяризация

После завершения основной фазы реполяризации мембранный потенциал не всегда сразу возвращается к точному уровню МПП. Часто наблюдаются так называемые следовые потенциалы, представляющие собой медленные изменения мембранного потенциала, которые играют важную роль в модуляции возбудимости.

1. Следовая гиперполяризация (положительный следовой потенциал): В некоторых случаях мембранный потенциал после реполяризации становится даже более отрицательным, чем исходный МПП. Это состояние называется следовой гиперполяризацией и обусловлено более медленным закрытием потенциалзависимых калиевых каналов, что приводит к избыточному и продолжительному выходу K⁺ из клетки. Постепенно эти каналы закрываются, и мембранный потенциал возвращается к исходному уровню.
2. Следовая деполяризация (отрицательный следовой потенциал): Реже после реполяризации наблюдается кратковременное состояние, когда мембранный потенциал становится менее отрицательным, чем МПП, но при этом не достигает критического уровня деполяризации для запуска нового ПД. Это следовая деполяризация, которая связывается с повышенной, но кратковременной проницаемостью мембраны для ионов Na⁺ или с активацией других ионных токов.

Эти следовые потенциалы, хоть и менее драматичны, чем основные фазы ПД, имеют существенное значение для регулирования частоты и характера импульсации, влияя на возбудимость ткани в послевозбудительный период.

Разнообразие ионных каналов

Вся динамика мембранного потенциала, от покоя до потенциала действия и обратно, управляется сложным оркестром ионных каналов – специализированных белковых структур, пронизывающих клеточную мембрану. Их разнообразие и функциональная специализация поразительны.

Ионные каналы можно широко классифицировать по механизму их активации:

• Потенциалзависимые каналы: Открываются или закрываются в ответ на изменения мембранного потенциала. Именно они играют ключевую роль в генерации потенциала действия (например, потенциалзависимые натриевые и калиевые каналы).
• Лигандзависимые каналы: Изменяют свою проницаемость под действием специфических химических веществ – лигандов (например, нейромедиаторов, гормонов), связывающихся с рецепторными участками канала. Эти каналы играют центральную роль в синаптической передаче.
• Механочувствительные каналы: Открываются в ответ на механическое растяжение или давление мембраны.

Среди всех типов ионных каналов калиевые каналы являются наиболее разнообразным и широко распространенным классом мембранных белков. Они не только обеспечивают реполяризацию потенциала действия, но и играют критическую роль в поддержании мембранного потенциала покоя и регуляции возбудимости. Рассмотрим некоторые из их ключевых подтипов:

• Потенциалзависимые калиевые каналы (K_v): Эти каналы являются основным звеном в фазе реполяризации потенциала действия. Они активируются при деполяризации мембраны и обеспечивают эффективный отток K⁺ из клетки, быстро восстанавливая отрицательный заряд. Существует множество подтипов K_v-каналов, различающихся кинетикой активации и инактивации, что позволяет тонко регулировать длительность и форму ПД в разных тканях.
• Каналы входящего выпрямления (Kir): Эти калиевые каналы отличаются тем, что их проводимость выше при гиперполяризации и ниже при деполяризации, то есть они пропускают K⁺ более эффективно внутрь клетки при потенциалах, более отрицательных, чем МПП. Они играют важную роль в стабилизации мембранного потенциала покоя и предотвращении чрезмерной возбудимости.
• АТФ-чувствительные калиев��е каналы (K_АТФ): Эти каналы регулируются внутриклеточной концентрацией АТФ. При снижении уровня АТФ (например, в условиях ишемии или гипоксии) они открываются, вызывая выход K⁺ из клетки и гиперполяризацию. Это приводит к снижению возбудимости, что может быть защитным механизмом, снижающим метаболические потребности клетки в условиях энергетического дефицита.
• Кальций-чувствительные калиевые каналы: Активируются при увеличении внутриклеточной концентрации ионов кальция (Ca²⁺). Они могут участвовать в реполяризации после длительных потенциалов действия или в адаптивных ответах клетки.

Понимание структурно-функциональной организации ионных каналов является фундаментальным для объяснения не только генерации и проведения потенциала действия, но и фазовых изменений возбудимости, которые мы рассмотрим далее.

Динамика возбудимости в течение цикла потенциала действия

Возбудимость ткани не является постоянной величиной; она динамически изменяется на протяжении всего цикла потенциала действия и сразу после него. Эти фазовые изменения – ключ к пониманию того, как клетки регулируют свою реакцию на стимулы и как передается информация.

Фаза первичной экзальтации (локальный ответ)

До того как потенциал действия полностью разовьется, происходит начальный, подпороговый ответ на раздражение, известный как локальный ответ или предспайк. В этот период, когда мембранный потенциал начинает деполяризоваться, приближаясь к критическому уровню, возбудимость ткани временно повышается. Это состояние часто называют первичной экзальтацией. В эту фазу возбуждение может быть вызвано даже более слабым раздражителем, чем обычно, поскольку клетка уже находится «на пороге» генерации полного ПД. Этот эффект объясняется частичным открытием потенциалзависимых натриевых каналов, что делает мембрану более чувствительной к дальнейшим стимулам.

Абсолютная рефрактерность

Сразу за фазой предспайка и в течение большей части деполяризации и начальной реполяризации наступает период абсолютной рефрактерности. Это критически важная фаза, характеризующаяся полной невозбудимостью мембраны. В этот момент, независимо от силы раздражителя, даже сверхпорогового, клетка не способна сгенерировать новый потенциал действия.

Причина этого явления кроется в состоянии потенциалзависимых натриевых каналов. В фазе деполяризации эти каналы открываются, позволяя Na⁺ входить в клетку. Однако, почти сразу же после открытия, они переходят в инактивированное состояние, когда их h-ворота закрываются, и они становятся неспособными открыться повторно до тех пор, пока мембрана не реполяризуется до определенного уровня. В период абсолютной рефрактерности подавляющее большинство натриевых каналов находятся именно в этом инактивированном состоянии, что делает невозможным дальнейший приток Na⁺ и, следовательно, генерацию нового ПД.

Длительность абсолютной рефрактерности значительно варьируется в разных тканях, что имеет глубокое функциональное значение:

• Быстропроводящие нервные волокна: около 0,5 мс. Это позволяет им передавать высокочастотные импульсы.
• Волокна сердечной мышцы: 250-300 мс. Длительный рефрактерный период миокарда предотвращает тетаническое сокращение (длительное спазматическое слияние отдельных сокращений), обеспечивая полноценное расслабление и наполнение сердца кровью между ударами.

Относительная рефрактерность

После завершения абсолютной рефрактерности наступает фаза относительной рефрактерности. В этот период возбудимость ткани все еще понижена, но клетка уже способна ответить на раздражение, если его сила превышает обычный пороговый уровень (то есть требуется сверхпороговое раздражение). При этом амплитуда потенциала действия, вызванного в эту фазу, может быть снижена.

Относительная рефрактерность совпадает с конечной частью фазы реполяризации и периодом следовой гиперполяризации. Основная причина пониженной возбудимости в этот период – продолжающийся активный выход K⁺ из клетки через открытые калиевые каналы, а также то, что не все натриевые каналы полностью восстановились из инактивированного состояния. Высокая проницаемость для K⁺ означает, что для деполяризации мембраны до порогового уровня требуется гораздо более сильный стимул, чтобы преодолеть отток положительных зарядов. По мере того как калиевые каналы закрываются и натриевые каналы восстанавливаются, возбудимость постепенно возвращается к норме.

Фаза экзальтации (супернормальная возбудимость, вторичная экзальтация)

Следом за относительной рефрактерностью (иногда накладываясь на нее) может наступить фаза экзальтации, также известная как супернормальная возбудимость или вторичная экзальтация. Это период повышенной возбудимости, когда клетка становится более чувствительной к стимулам. В эту фазу возбуждение можно вызвать даже подпороговым раздражением, то есть стимулом, который в норме был бы недостаточен для запуска ПД. Как это возможно, учитывая предыдущие фазы? Клетка временно приближается к порогу, становясь более реактивной.

Фаза экзальтации соответствует периоду следовой деполяризации, когда мембранный потенциал кратковременно становится менее отрицательным, чем МПП, приближаясь к критическому уровню. Это делает клетку более «готовой» к возбуждению, поскольку уменьшается расстояние до порога. Ионные механизмы включают в себя повышенную, хотя и кратковременную, проницаемость мембраны для ионов Na⁺ или замедленную инактивацию некоторых деполяризующих токов.

Субнормальная фаза

После фазы экзальтации (если она присутствует) может развиться субнормальная фаза, характеризующаяся незначительным снижением возбудимости по сравнению с нормой. Эта фаза соответствует периоду следовой гиперполяризации, когда мембранный потенциал становится более отрицательным, чем потенциал покоя.

В субнормальной фазе для вызова потенциала действия снова требуются сверхпороговые раздражители, хотя и менее мощные, чем в период относительной рефрактерности. Причина снижения возбудимости здесь – избыточный выход K⁺ из клетки, что увеличивает разницу между МПП и порогом деполяризации, делая клетку менее склонной к возбуждению. Постепенно мембранный потенциал возвращается к исходному уровню покоя, и возбудимость нормализуется.

Таким образом, фазовые изменения возбудимости – это сложный, но строго регулируемый процесс, который тонко настраивает реакцию клетки на стимулы, обеспечивая оптимальное функционирование нервной и мышечной систем.

Функциональное значение фазовых изменений возбудимости

Фазовые изменения возбудимости – это не просто биоэлектрические феномены; они имеют глубокое функциональное значение, определяя характер передачи информации, ритмичность сокращений и способность тканей к адаптации.

Регуляция проведения импульса

Одним из важнейших следствий фазовых изменений возбудимости является регуляция проведения нервного импульса.

• Одностороннее проведение потенциала действия: Абсолютная рефрактерность играет ключевую роль в обеспечении одностороннего распространения потенциала действия по аксону – от тела нейрона к нервным окончаниям. Когда участок мембраны аксона только что сгенерировал ПД и находится в фазе абсолютной рефрактерности, соседний, еще не возбужденный участок мембраны деполяризуется и генерирует новый ПД. Однако, участок, из которого импульс только что пришел, не может быть возбужден повторно, поскольку его натриевые каналы инактивированы. Это предотвращает обратное распространение импульса и гарантирует эффективную передачу информации в заданном направлении.
• Ограничение частоты нервных импульсов: Рефрактерные периоды (как абсолютный, так и относительный) действуют как естественные ограничители частоты генерации потенциалов действия. Без этих периодов ткань могла бы возбуждаться бесконечно быстро, что привело бы к хаотической и неэффективной передаче сигналов. Рефрактерность обеспечивает дискретность импульсов, позволяя системе «перезагрузиться» и подготовиться к следующему сигналу. Это фундаментально для кодирования информации в нервной системе, где частота импульсов часто передает интенсивность стимула.

Регуляция сердечной деятельности и фармакологическое воздействие

Сердечная мышца является ярким примером ткани, где фазовые изменения возбудимости имеют критическое значение. Длительность потенциала действия и связанных с ним рефрактерных периодов в миокарде значительно дольше, чем в нервных волокнах, что обеспечивает его уникальную способность к ритмичным, но не тетаническим сокращениям.

• Влияние на частоту сердечных сокращений: Чрезмерно короткий рефрактерный период в сердечной мышце может привести к возникновению аритмий, так как клетки становятся способными возбуждаться слишком часто и беспорядочно. И наоборот, удлинение относительного рефрактерного периода в сердечной мышце может снижать частоту сердечных сокращений и устранять аритмии, восстанавливая нормальный ритм.
• Фармакологическое воздействие антиаритмических препаратов: Эти знания активно используются в кардиологии для разработки антиаритмических препаратов, которые целенаправленно воздействуют на ионные каналы, изменяя фазовые характеристики потенциала действия.
  • Препараты III класса (например, амиодарон, соталол, дофетилид, ибутилид) являются преимущественно блокаторами калиевых каналов. Блокируя отток K⁺, они значительно увеличивают длительность потенциала действия и, как следствие, рефрактерность миокарда. Это позволяет прервать патологические круговые движения возбуждения (re-entry) и восстановить синусовый ритм.
  • Препараты IV класса (такие как верапамил и дилтиазем) относятся к блокаторам кальциевых каналов. Их действие в основном проявляется в клетках синоатриального и атриовентрикулярного узлов, где потенциал действия зависит от кальциевых токов. Блокируя эти каналы, они замедляя проведение импульса и увеличивают рефрактерность, тем самым снижая частоту сердечных сокращений и купируя некоторые виды аритмий.

Целенаправленное изменение фазовых свойств возбудимости является мощным инструментом в современной медицине для коррекции нарушений сердечного ритма.

Роль в суммации и лабильности

Помимо регуляции проведения, фазовые изменения возбудимости влияют на более тонкие аспекты клеточной функции.

• Регуляция частоты импульсации: Фаза относительной рефрактерности позволяет ткани регулировать частоту импульсации в зависимости от силы стимула. Более сильный стимул способен вызвать повторное возбуждение раньше, в то время как слабый стимул может быть неэффективным до полного восстановления возбудимости. Это обеспечивает градуированный ответ, где интенсивность стимула кодируется в частоте потенциалов действия.
• Суммация подпороговых возбуждений: Фаза экзальтации, или супернормальной возбудимости, делает ткань временно более чувствительной к последующим стимулам. В этот период даже подпороговые раздражения могут суммироваться, достигая критического уровня и вызывая потенциал действия. Это может иметь важное значение в центральной нервной системе, где суммация подпороговых входов является обычным явлением для активации нейронов.
• Влияние на лабильность клетки: Вся динамика фазовых изменений возбудимости непосредственно влияет на лабильность (функциональную подвижность) клетки, определяя скорость, с которой может протекать каждый отдельный цикл возбуждения, и, соответственно, максимальную частоту, с которой ткань может генерировать импульсы. Ткани с более короткими рефрактерными периодами и выраженной фазой экзальтации будут обладать большей лабильностью, что позволяет им обрабатывать и передавать информацию с высокой скоростью.

Таким образом, фазовые изменения возбудимости – это сложный, многоуровневый механизм, который тонко настраивает реактивность тканей, обеспечивая их адекватное функционирование в разнообразных физиологических условиях.

Современные экспериментальные методы изучения возбудимости тканей

Изучение тончайших механизмов возбудимости и динамики потенциала действия требует использования высокоточных и чувствительных экспериментальных методов. От первых опытов с нервно-мышечными препаратами до современных нанотехнологий, инструментарий физиологов постоянно совершенствуется, позволяя заглядывать все глубже в клеточные процессы.

Общие подходы к исследованию

Основой для изучения фазовых изменений возбудимости является применение тестирующих стимулов. Как правило, это короткие электрические импульсы, которые подаются на исследуемую ткань с изменяющимися интервалами относительно момента возникновения первого потенциала действия. Путем регистрации возникающих в ответ на эти раздражения потенциалов действия можно построить кривую возбудимости, которая покажет, как изменяется пороговая сила стимула в различные фазы цикла возбуждения.

Один из классических методов – хронаксиметрия. Как уже упоминалось, она заключается в измерении хронаксии – минимального времени, необходимого для возбуждения ткани током удвоенной пороговой силы. Этот метод широко применяется в клинической практике для оценки состояния нервно-мышечного аппарата у человека и животных, позволяя диагностировать различные патологии, влияющие на возбудимость.

Методы регистрации электрической активности

Для непосредственной регистрации биоэлектрических потенциалов клетки необходимы специальные инструменты.

• Внутриклеточная регистрация биопотенциалов с помощью микроэлектродов: Это золотой стандарт для измерения мембранных потенциалов. Метод предполагает введение чрезвычайно тонкого стеклянного микроэлектрода (диаметром менее 1 мкм, заполненного раствором соли, обычно 3М KCl) непосредственно в аксон нейрона или мышечное волокно. Такой электрод позволяет измерять разность потенциалов между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны, регистрируя как мембранный потенциал покоя, так и полные потенциалы действия с высокой точностью. Разработка этой техники позволила Ходжкину и Хаксли провести свои классические эксперименты на гигантском аксоне кальмара, за которые они получили Нобелевскую премию.

Метод локальной фиксации потенциала (Patch-clamp)

Если внутриклеточная регистрация позволяет увидеть «макрокартину» потенциала действия, то метод локальной фиксации потенциала, или patch-clamp (пэтч-кламп), разработанный Эрвином Неером и Бертом Сакманом в 1976 году (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1991 году), открыл дверь в мир одиночных ионных каналов.

Суть метода заключается в формировании плотного электрического контакта между микропипеткой (так называемым «патч-электродом») и небольшим участком клеточной мембраны. Это создает так называемый «гигаомный контакт», при котором сопротивление между пипеткой и мембраной достигает гигаом, что сводит утечку тока к минимуму. Благодаря этому, становится возможным регистрировать сверхмалые токи (амплитудой порядка пикоампер), протекающие через отдельные ионные каналы. Этот метод революционизировал нейрофизиологию и молекулярную биологию, позволив изучать свойства, кинетику и фармакологию отдельных каналов.

Конфигурации и техники Patch-clamp

Метод patch-clamp не является единой техникой; он имеет несколько конфигураций, каждая из которых предоставляет уникальные возможности для исследования.

1. Конфигурация плотного контакта (cell-attached): В этой базовой конфигурации пипетка плотно прилегает к неповрежденной клеточной мембране, позволяя регистрировать токи через каналы, расположенные непосредственно под отверстием пипетки, без нарушения целостности клетки. Это идеально для изучения каналов в их естественной среде.
2. Конфигурация «наизнанку» (inside-out): После формирования плотного контакта пипетку резко оттягивают от клетки. При этом маленький кусочек мембраны, содержащий каналы, отрывается от клетки и остается на кончике пипетки, причем его внутренняя сторона оказывается обращенной к внешнему раствору в ванночке. Эта конфигурация позволяет экспериментатору контролировать химический состав внутренней среды, изучая влияние различных веществ (например, АТФ, Ca²⁺, вторичных мессенджеров) на активность каналов.
3. Конфигурация «целой клетки» (whole-cell): После формирования плотного контакта к мембране под пипеткой применяется короткий мощный импульс отрицательного давления. Это приводит к разрыву мембраны, и содержимое пипетки (включая раствор, имитирующий внутриклеточную среду) смешивается с цитоплазмой клетки. Эта конфигурация позволяет измерять суммарные токи, проходящие через все ионные каналы всей клетки, а также контролировать внутриклеточный состав.
4. Конфигурация «наружу» (outside-out): После достижения конфигурации «целой клетки» пипетку медленно оттягивают от клетки. Мембрана в месте контакта сначала вытягивается, �� затем отрывается, образуя везикулу, на кончике которой оказывается кусочек мембраны, ориентированный так, что его внешняя сторона обращена к раствору в ванночке. Эта конфигурация удобна для изучения эффектов нейромедиаторов и других экзогенных веществ, действующих на внешнюю сторону канала.

В рамках метода patch-clamp используются две основные измерительные техники:

• Voltage-clamp (фиксация потенциала): В этой технике электрическая цепь поддерживается таким образом, чтобы мембранный потенциал клетки (или отдельного участка мембраны) оставался на заданном уровне, независимо от активности ионных каналов. Регистрируется ток, который необходимо подать на мембрану для поддержания этого потенциала. Таким образом, можно напрямую измерять ионные токи, проходящие через каналы при различных значениях мембранного потенциала, что позволяет изучать их кинетику и проводимость.
• Current-clamp (фиксация тока): В этой технике через мембрану пропускается постоянный электрический ток (или не пропускается вовсе), и измеряются изменения мембранного потенциала. Эта техника имитирует более естественные условия работы клетки, позволяя наблюдать генерацию потенциалов действия и другие изменения потенциала в ответ на заданный ток.

Современные экспериментальные методы, особенно patch-clamp, обеспечивают беспрецедентный уровень детализации в изучении механизмов возбудимости. Они позволяют не только понять, как функционируют ионные каналы, но и исследовать их роль в патологических состояниях, открывая пути для разработки таргетных терапевтических подходов.

Заключение

Изучение механизмов изменения возбудимости биологических тканей – это погружение в фундаментальные основы жизни, позволяющее разгадать сложный язык, на котором общаются клетки нашего организма. Мы убедились, что возбудимость – это не статичное свойство, а динамический процесс, тесно связанный с фазами одиночного цикла возбуждения, или потенциала действия.

От мгновенной деполяризации, вызванной стремительным входом ионов натрия, до восстановительной реполяризации, управляемой выходом калия, каждая фаза потенциала действия оставляет свой отпечаток на способности ткани к дальнейшему реагированию. Периоды абсолютной и относительной рефрактерности выступают в роли надежных регуляторов, обеспечивая одностороннее проведение импульсов и предотвращая хаотичное возбуждение. В то же время, фазы экзальтации и субнормальной возбудимости тонко настраивают чувствительность ткани, позволяя ей адаптироваться к различным стимулам и модулировать частоту импульсации.

Особое внимание к количественным характеристикам, таким как реобаза и хронаксия, а также детализированное изучение многообразия ионных каналов, подчеркивает сложность и точность этих механизмов. Практическое значение этих знаний выходит далеко за рамки академических исследований, находя свое применение в клинической практике, в частности, в разработке антиаритмических препаратов, которые целенаправленно воздействуют на ионные каналы, восстанавливая нормальный ритм сердца.

Прогресс в понимании возбудимости был бы невозможен без развития высокоточных экспериментальных методов. От внутриклеточной регистрации потенциалов до революционного метода patch-clamp, позволяющего изучать токи через одиночные ионные каналы, эти инструменты продолжают расширять наши горизонты. Различные конфигурации patch-clamp открывают уникальные возможности для анализа функций ионных каналов как в клеточной среде, так и в изолированных условиях, что делает его незаменимым инструментом в современной нейрофизиологии и биофизике.

В заключение можно сказать, что фазовые изменения возбудимости – это прекрасно оркестрованный биологический процесс, лежащий в основе всех форм коммуникации и регуляции в живых системах. Дальнейшие исследования в этой области обещают не только углубить наше фундаментальное понимание физиологии, но и проложить путь к новым прорывам в диагностике и лечении широкого спектра заболеваний, затрагивающих нервную, мышечную и сердечно-сосудистую системы.

Список использованной литературы

1. Агаджанян, Н. А. Нормальная физиология: Учебник для студентов медицинских вузов / Н. А. Агаджанян, В. М. Смирнов. — М.: ООО Издательство «Медицинское информационное агентство», 2009. — 520 с.
2. Физиология: основы и функциональные системы: Курс лекций / под ред. К. В. Судакова. — М.: Медицина, 2000. — 784 с.
3. Физиология человека: в 3 т. Т. 1 / под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса; пер. с англ. — 3-е изд. — М.: Мир, 2005. — 640 с.
4. Физиология человека: учебник / Е. Б. Бабский, Г. И. Косицкий Б. И. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1985. — 544 с.
5. Покровский, В. М. Физиология человека: учебник в 2-х т. Т. 2 / В. М. Покровский, Г. Ф. Коротько. — М.: Медицина, 2003. — 368 с.
6. Физиология человека: учебник / под ред. В. М. Смирнова. — М.: Медицина, 2002. — 608 с.
7. Глава 2. ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ. URL: https://www.consmed.ru/glava-2-fiziologiya-vozbuzhdaemyh-tkanej/ (дата обращения: 01.11.2025).
8. Физиология возбудимых тканей. URL: https://studfile.net/preview/4351980/page/11/ (дата обращения: 01.11.2025).
9. Изменения возбудимости при возбуждении. URL: https://student-service.ru/fiziologiya/izmeneniya-vozbuzhdaemosti-pri-vozbudzhenii (дата обращения: 01.11.2025).
10. Потенциал действия. URL: http://www.nsmu.ru/departments/physiol/book/002%20%D0%92%D0%BE%D0%B7%D0%B1%D1%83%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D1%8B%D0%B5%20%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8.doc (дата обращения: 01.11.2025).
11. Потенциал действия // Большая советская энциклопедия. 1969-1978.
12. Изменение возбудимости клетки при возбуждении. URL: http://bio.fizteh.ru/upload/ib/1_4.%20%D0%98%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B1%D1%83%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B1%D1%83%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B8.htm (дата обращения: 01.11.2025).
13. Ионные каналы, классификация, строение и функции. Потенциал действия и его фазы. Вклад потенциалзависимых ионных каналов в формирование потенциала действия // Физиология человека и животных. URL: http://www.meduniver.com/Medical/Physiology/ionnie_kanali_potencial_deistviya_fazi.html (дата обращения: 01.11.2025).
14. Потенциал покоя и потенциал действия. URL: http://www.studmedlib.ru/data/doc/new_lect.doc (дата обращения: 01.11.2025).
15. Реобаза, хронаксия и их значение в клинической практике. Хронаксиметрия. URL: https://vlgmu.ru/files/vlgmu/OTVETY_PO_FIZIOLOGII.docx (дата обращения: 01.11.2025).
16. Физиология возбудимых тканей. URL: https://mgmsu.ru/content/docs/file/2015/brief-course.doc (дата обращения: 01.11.2025).
17. Элементарные физиологические процессы. URL: https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/220261/1/27-31.pdf (дата обращения: 01.11.2025).
18. Реобаза. Хронаксия. URL: https://www.tyumsmu.ru/upload/medialibrary/fizo_otvety_NOVYE.docx (дата обращения: 01.11.2025).
19. Потенциал действия и его фазы. Свойства потенциала действия. URL: https://www.vmeda.org/upload/files/54%D0%91%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D1%82%2028.doc (дата обращения: 01.11.2025).
20. Связь возбудимости с фазами потенциала действия. URL: https://www.vmeda.org/upload/files/10.%20%D0%A1%D0%B2%D1%8F%D0%B7%D1%8C%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B1%D1%83%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D1%81%20%D1%84%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D0%BC%D0%B8%20%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%B0%20%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F.docx (дата обращения: 01.11.2025).
21. Хронаксия // Большая советская энциклопедия. 1969-1978.
22. Изменения возбудимости при возбуждении. URL: https://medbe.ru/materials/fiziologiya-vozbudimykh-tkaney/izmeneniya-vozbudimosti-pri-vozbudzhenii/ (дата обращения: 01.11.2025).
23. ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ. URL: https://elib.usma.ru/bitstream/123456789/2711/1/Z0000041.pdf (дата обращения: 01.11.2025).
24. Зыбина, А. М. Потенциал покоя и потенциал действия. URL: https://sites.google.com/site/physiologysite/home/fiziologia-vozbudimyh-tkanej/potencial-pokoya-i-potencial-dejstvia (дата обращения: 01.11.2025).
25. Потенциал действия. Фазы потенциала действия нервного волокна. URL: https://meduniver.com/Medical/Physiology/fazi_potenciala_deistvia_nervnogo_volokna.html (дата обращения: 01.11.2025).
26. Электрогенез Мембранный потенциал – электрическая разность потенциалов. URL: https://elib.osu.ru/server/php/get_doc.php?id=3846 (дата обращения: 01.11.2025).
27. Физиология нервных клеток. URL: https://elib.krasgmu.ru/store/source/documents/02.04.01-02-002-2018-05-08-11-20-41.pdf (дата обращения: 01.11.2025).
28. Физиология возбудимых тканей. URL: https://yadi.sk/i/1H_u-4QyY7q5F (дата обращения: 01.11.2025).
29. Порог раздражения и возбудимость. URL: https://www.vmeda.org/upload/files/5.%D0%9F%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B3%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B8%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B1%D1%83%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C.docx (дата обращения: 01.11.2025).
30. Работа № 3 Определение порога возбуждения при прямом и непрямом раздражении. URL: https://kaznmu.kz/wp-content/uploads/2015/05/2-%D0%92%D0%9E%D0%97%D0%91%D0%A3%D0%94~1.DOC (дата обращения: 01.11.2025).
31. Зефиров, А. Л. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология) / А. Л. Зефиров, Г. Ф. Ситдикова. URL: https://kpfu.ru/docs/F1651842823/ionnye.kanaly.pdf (дата обращения: 01.11.2025).
32. Методы исследования возбудимых тканей. URL: https://www.tyumsmu.ru/upload/medialibrary/fiz/10.%20%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D1%8B%20%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B1%D1%83%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D1%8B%D0%A5%20%D0%A2%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%B9.doc (дата обращения: 01.11.2025).
33. Потенциал действия. Фазы потенциала действия нервного волокна. URL: https://www.tyumsmu.ru/upload/medialibrary/fizo/3.%20%D0%9F%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%20%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F.%20%D0%A4%D0%B0%D0%B7%D1%8B%20%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%B0%20%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F%20%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BA%D0%BD%D0%B0.doc (дата обращения: 01.11.2025).
34. Модуль 1. Общая физиология. Тема: Методы изучения физиологических свойств возбудимых тканей. Законы раздражения. URL: https://ksmu.ru/upload/files/facultet/kurs/dop_mat/2_kurs/fiziologiya/1_modul_obsh_fiziol.pdf (дата обращения: 01.11.2025).
35. Изменения возбудимости клетки во время ее возбуждения. Лабильность. URL: https://medznate.ru/docs/1304/index-29497.html?page=11 (дата обращения: 01.11.2025).
36. Фаза первичной экзальтации. URL: https://vunivere.ru/work3196/page3 (дата обращения: 01.11.2025).
37. Фазовые изменения возбудимости клеток при генерации потенциала действия. URL: https://www.vmeda.org/upload/files/7.%20%D0%A4%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5%20%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B1%D1%83%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%BA%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%20%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8%20%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%B0%20%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F.docx (дата обращения: 01.11.2025).
38. Абсолютная и относительная рефрактерность. URL: https://www.vmeda.org/upload/files/8.%20%D0%90%D0%B1%D1%81%D0%BE%D0%BB%D1%8E%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%B8%20%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%80%D0%B5%D1%84%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C.docx (дата обращения: 01.11.2025).
39. Изменения возбудимости клетки во время ее возбуждения, Метаболические потенциалы. URL: https://medznate.ru/docs/1304/index-29497.html?page=12 (дата обращения: 01.11.2025).
40. Фазовые изменения возбудимости при потенциале действия. URL: https://student-service.ru/fiziologiya/fazi-izmeneniy-vozbuzhdaemosti-pri-potenciale-deystviya (дата обращения: 01.11.2025).
41. ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ. URL: https://www.bsmu.by/downloads/kafedry/fiziology/stud/normfizio/6_semestr_2016-17/fiziology_6_semestr_2016-17.pdf (дата обращения: 01.11.2025).