Аккомодация возбудимой ткани: порог и механизм

Если ткань раздражают медленно нарастающим током, возбуждение может так и не наступить, хотя итоговая сила стимула превышает порог. Это явление называют аккомодацией возбудимой ткани: порог не остаётся постоянным, а сам смещается вверх вслед за стимулом. Ниже разберём, почему так происходит, что определяет критическую скорость нарастания раздражения и как аккомодация описывается количественно. Сразу попробуйте подвигать слайдеры в калькуляторе: он покажет, как меняется соотношение между нарастающим стимулом и смещающимся порогом в реальном времени.

Что такое аккомодация и почему порог движется

В покоящейся клетке мембранный потенциал удерживается на уровне около -70 мВ за счёт работы ионных насосов и избирательной проницаемости мембраны. Когда приходит стимул, натриевые каналы начинают открываться - но лишь те, что ещё не инактивированы. При медленном нарастании деполяризации натриевые каналы успевают перейти в инактивированное состояние быстрее, чем накапливается входящий ток. Параллельно калиевые каналы задержанного выпрямления постепенно открываются и гасят нарастающую деполяризацию.

В итоге порог возбуждения $V_{th}$ не постоянен: он повышается по мере того, как мембрана медленно деполяризуется. В первом приближении это можно записать как:

$V_{th}(t) = V_{th0} + A \left(1 - e^{-t/\tau}\right),$

где $V_{th0}$ - исходный порог покоя, $A$ - максимальный прирост порога при полной аккомодации, $\tau$ - постоянная времени аккомодации (отражает инерцию ионных каналов). Если стимул $S(t) = \text{rate} \cdot t$ нарастает медленнее, чем смещается порог, возбуждение не возникает.

Рассчитать для своей задачи

Критическая скорость нарастания стимула

Аккомодация наступает только при достаточно медленном увеличении раздражителя. Граничную - критическую - скорость нарастания $\text{rate}_{crit}$ можно оценить из условия, что линейный стимул и экспоненциально смещающийся порог имеют одинаковую производную в начальный момент:

$\frac{dS}{dt}\bigg|_{t=0} = \frac{dV_{th}}{dt}\bigg|_{t=0} \implies \text{rate}_{crit} = \frac{A}{\tau}.$

При типичных значениях $A = 25$ мВ и $\tau = 20$ мс критическая скорость составляет $25/20 = 1{,}25$ мВ/мс. Это значит: если ток нарастает быстрее 1,25 мВ/мс, возбуждение неизбежно; если медленнее - ткань аккомодируется и потенциал действия не развивается.

Постоянная $\tau$ определяется кинетикой ионных каналов конкретной ткани. У быстро проводящих нервных волокон типа A $\tau$ мала (высокая критическая скорость - сложнее аккомодировать), у гладкой мышцы $\tau$ велика и аккомодация выражена сильнее.

Реобаза и хронаксия: количественные меры возбудимости

Для стандартизованного описания возбудимости используют два параметра, введённых Луи Лапиком:

• Реобаза ($b$) - минимальная сила постоянного тока, способная вызвать возбуждение при неограниченно долгом воздействии. Это нижняя граница силы стимула: ниже реобазы возбуждения не будет никогда, выше - зависит от длительности.
• Хронаксия ($\chi$) - минимальное время воздействия током, удвоенным по отношению к реобазе, при котором возникает возбуждение.

Связь между ними описывает уравнение Вейса (закон Дюбуа-Реймона):

$I = b\left(1 + \frac{\chi}{t}\right),$

где $I$ - пороговая сила тока, $t$ - длительность импульса. При $t \to \infty$ ток стремится к реобазе; при $t = \chi$ ток равен $2b$.

Рассчитать для своей задачи

Хронаксия - удобный клинический показатель: нерв имеет хронаксию 0,1-0,3 мс, скелетная мышца 0,3-1 мс, гладкая мышца - десятки миллисекунд. Чем меньше хронаксия, тем легче возбудить ткань коротким импульсом.

Аккомодация у разных возбудимых тканей

Способность к аккомодации существенно различается между тканями и напрямую связана с длительностью потенциала действия и кинетикой доминирующих ионных каналов.

Скелетная мышца и нерв типа A обладают выраженной аккомодацией. Их потенциал действия короток (1-2 мс), натриевые каналы быстро инактивируются, $\tau$ мала - система реагирует на резкие изменения тока, но адаптируется к медленным. Именно поэтому нервно-мышечный препарат лягушки классически используют для демонстрации аккомодации в физиологическом эксперименте: пороговый ток с медленным нарастанием можно довести до нескольких реобаз без получения ответа.

Сердечная мышца (миокард) практически лишена аккомодации в обычном смысле. Потенциал действия длится 200-400 мс, фаза плато поддерживается медленными кальциевыми каналами типа L. Длительный абсолютный рефрактерный период перекрывает период систолы, что делает суммацию и тетанус физиологически невозможными - сердце не может оставаться в сокращённом состоянии. Аккомодация здесь заменена этим структурным защитным механизмом.

Гладкая мышца имеет медленные потенциалы действия и высокий $\tau$ аккомодации. При длительном раздражении она постепенно снижает частоту ответов. Это проявляется, например, в адаптации рецепторов растяжения кишечника и мочевого пузыря: давление нарастает медленно, а ощущение наполненности возникает позже, чем при быстром растяжении той же величины.

Нейроны ЦНС демонстрируют адаптацию частоты разрядов в широком диапазоне. Интернейроны спинного мозга могут поддерживать разряды длительно, тогда как пирамидные нейроны коры часто дают лишь короткую начальную серию спайков на постоянный деполяризующий ток. Это определяется соотношением плотности быстрых натриевых каналов и каналов, зависимых от кальция (SK-каналы), которые опосредуют медленную послеразрядную гиперполяризацию.

Аккомодация рецепторов: быстро- и медленноадаптирующиеся

Аккомодацию в широком смысле наблюдают в сенсорных рецепторах, где она называется адаптацией. Тельца Пачини (механорецепторы кожи) реагируют только на начало и конец давления - это быстроадаптирующиеся рецепторы: их порог нарастает почти мгновенно, и постоянное давление они игнорируют. Тельца Руффини и рецепторы растяжения мышц (мышечные веретёна первичные окончания) медленно адаптируются - сигнализируют о постоянном растяжении минутами и часами. Разница определяется теми же механизмами: кинетикой ионных каналов мембраны и механическими свойствами капсулы рецептора.

В нейрофизиологии аккомодация нейронов важна для понимания разрядной частоты: при постоянном деполяризующем токе большинство нейронов постепенно урежают разряды (адаптация частоты) именно из-за накопления инактивации натриевых каналов и активации каналов с запаздыванием. Наглядно это видно в записях пэтч-клэмп: первые 50 мс после включения тока дают 8-12 спайков в секунду, затем частота падает до 2-3 Гц и стабилизируется. Именно такое поведение отвечает за способность нервной системы различать новую и постоянную стимуляцию.

Функциональный смысл аккомодации - фильтрация фоновых медленных изменений среды. Постоянная нагрузка на ткань не должна вызывать непрерывный поток одинаковых сигналов; важны изменения. Аккомодация возбудимой ткани и адаптация рецепторов - два проявления одного принципа: нервная система настроена на динамику, а не на стационарные состояния.

Частые ошибки

• Путаница аккомодации и адаптации. Аккомодация - повышение порога при медленном нарастании стимула (механизм ионных каналов); адаптация рецептора - снижение частоты разрядов при постоянном стимуле. Физиологический смысл близок, но уровень описания разный.
• Считать, что аккомодированная ткань не возбудима вообще. При быстром стимуле выше критической скорости возбуждение произойдёт. Аккомодация - это устойчивость к медленному нарастанию, а не блок возбудимости.
• Путать реобазу и порог. Реобаза - характеристика стимула (минимальная сила), порог - характеристика мембраны (уровень деполяризации). Они связаны, но это разные понятия.
• Применять закон Дюбуа-Реймона при очень коротких импульсах. Уравнение Вейса перестаёт работать при $t \ll \chi$: энергия стимула недостаточна даже при любой силе тока.
• Игнорировать температурную зависимость. Кинетика ионных каналов сильно зависит от температуры ($Q_{10} \approx 3$). Хронаксия и $\tau$ аккомодации, измеренные при 20 °C, существенно отличаются от значений при 37 °C.

FAQ

Почему сердечная мышца почти не аккомодируется? Длительный потенциал действия миокарда (200-400 мс) и абсолютный рефрактерный период, совпадающий по времени с систолой, фактически защищают сердце от повторного возбуждения. Механизм аккомодации (инактивация натриевых каналов) работает, но на фоне длинного плато его роль незначительна. Эволюционно это выгодно: тетанус сердца привёл бы к остановке кровообращения.

Что происходит с порогом при высокочастотных стимулах? При серии частых стимулов накапливается инактивация натриевых каналов и не завершается активация калиевых - порог повышается, ответы урежаются (адаптация частоты). При очень высокой частоте ткань входит в состояние пессимума (открытие по Введенскому): ответы прекращаются, хотя ткань жива и отвечает на одиночный стимул. Этот эффект принципиально отличается от аккомодации медленным стимулом.

Как измеряют постоянную аккомодации tau на практике? Классический метод - предварительная поляризация. Мембрану медленно деполяризуют до разных уровней, фиксируя момент, когда пороговый стимул перестаёт вызывать ответ. По кривой подъёма порога восстанавливают $\tau$. В современной электрофизиологии используют пэтч-клэмп: записывают токи через отдельные каналы и аппроксимируют кинетические константы инактивации напрямую.

Коротко

Аккомодация возбудимой ткани - повышение порога возбуждения при медленно нарастающем стимуле, вызванное инактивацией натриевых каналов и задержанной активацией калиевых. Критическая скорость нарастания $\text{rate}_{crit} = A/\tau$ делит все стимулы на две группы: более быстрые вызывают потенциал действия, более медленные не приводят к возбуждению. Реобаза и хронаксия - стандартизованные меры возбудимости, связанные законом Вейса. Степень аккомодации существенно различается между тканями: нерв и скелетная мышца аккомодируются легко, миокард - практически нет.