Локальный ответ и критический уровень деполяризации

Когда на мембрану нейрона или мышечного волокна действует слабый стимул, она не сразу выдаёт потенциал действия. Сначала возникает локальный ответ - небольшой, нераспространяющийся сдвиг мембранного потенциала. И только если деполяризация дойдёт до критического уровня деполяризации (КУД), запускается лавинообразный потенциал действия. Эти два понятия - ключ к тому, как клетка отличает шум от значимого сигнала. Ниже разберём, чем локальный ответ отличается от подпорогового электротона, как считают КУД и порог раздражения, и почему именно достижение КУД переключает мембрану в режим «всё или ничего». А чтобы сразу применить это к своей задаче, соберите запрос в калькуляторе.

Мембранный потенциал покоя как точка отсчёта

В покое внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной. Типичное значение мембранного потенциала покоя ($E_m$) для нейрона - около $-70$ мВ, для скелетного мышечного волокна ближе к $-90$ мВ. Этот заряд поддерживается неравновесным распределением ионов: внутри много калия ($\text{K}^+$), снаружи - натрия ($\text{Na}^+$) и хлора ($\text{Cl}^-$). Натрий-калиевый насос непрерывно выкачивает $\text{Na}^+$ и закачивает $\text{K}^+$, а калиевые каналы утечки делают мембрану в покое в основном проницаемой для калия.

Именно от потенциала покоя отсчитываются все события возбуждения. Деполяризация - это уменьшение отрицательного заряда (сдвиг $E_m$ к нулю и выше), гиперполяризация - усиление отрицательности. Локальный ответ и КУД описывают, что происходит с мембраной по мере того, как деполяризация нарастает.

Рассчитать для своей задачи

Что такое локальный ответ

Локальный ответ - это активная, но нераспространяющаяся деполяризация мембраны, возникающая при подпороговом стимуле, чуть не дотягивающем до порога. Его иногда называют локальным потенциалом или местным возбуждением. От чисто пассивного электротонического сдвига локальный ответ отличается тем, что в нём уже частично участвуют потенциал-зависимые натриевые каналы: при небольшой деполяризации некоторые из них приоткрываются, и входящий ток натрия слегка усиливает деполяризацию сверх того, что дал бы один лишь приложенный ток.

Главные свойства локального ответа:

• Градуальность. Амплитуда зависит от силы стимула: чем сильнее подпороговый раздражитель, тем больше локальный ответ. Это противоположность правилу «всё или ничего».
• Локальность. Он не распространяется по мембране, а затухает с расстоянием от точки раздражения по закону электротона.
• Способность к суммации. Несколько локальных ответов, пришедших близко по времени или в пространстве, складываются. Именно так на мембране нейрона суммируются возбуждающие постсинаптические потенциалы.
• Отсутствие рефрактерности. Во время локального ответа мембрана сохраняет возбудимость и готова ответить на новый стимул.

Локальный ответ - это как раз та «серая зона» между полным покоем и потенциалом действия, в которой клетка взвешивает приходящие сигналы.

Критический уровень деполяризации (КУД)

Критический уровень деполяризации - это то значение мембранного потенциала, при достижении которого открывается лавинообразное, регенеративное число натриевых каналов и неизбежно возникает потенциал действия. Для типичного нейрона КУД лежит около $-55$ мВ, то есть мембрану нужно деполяризовать примерно на $15$ мВ от потенциала покоя $-70$ мВ.

Физический смысл КУД в том, что это точка, где петля положительной обратной связи становится самоподдерживающейся. Деполяризация открывает натриевые каналы, вход $\text{Na}^+$ усиливает деполяризацию, та открывает ещё больше каналов, и так далее. Ниже КУД входящий натриевый ток ещё уступает выходящему калиевому, поэтому система возвращается к покою. Выше КУД натриевый ток перевешивает - и процесс идёт сам, независимо от того, действует ли ещё стимул. Подробнее механику открытия каналов разбирает статья про потенциал-зависимые натриевые каналы.

Разницу между потенциалом покоя и КУД называют порогом деполяризации:

$\Delta V_{\text{порог}} = \text{КУД} - E_{\text{покоя}}$

Например, при $E_{\text{покоя}} = -70$ мВ и КУД $= -55$ мВ порог деполяризации равен $15$ мВ. Чем меньше эта величина, тем выше возбудимость клетки.

Рассчитать для своей задачи

Порог раздражения и возбудимость

Важно не путать два «порога». КУД - это порог по напряжению (значение $E_m$ в мВ). Порог раздражения (реобаза) - это минимальная сила внешнего стимула (тока), которой хватает, чтобы дотолкать мембрану от покоя до КУД. Они связаны, но описывают разные вещи: один - состояние мембраны, другой - параметр воздействия.

Возбудимость ткани тем выше, чем меньше нужно сделать, чтобы достичь КУД. На неё влияют:

• Расстояние между $E_{\text{покоя}}$ и КУД. Если мембрана в покое уже частично деполяризована (потенциал ближе к КУД), достаточно слабого стимула - возбудимость повышена.
• Сдвиг самого КУД. При длительной подпороговой деполяризации часть натриевых каналов инактивируется, КУД смещается вверх (к нулю), и клетке нужен более сильный стимул - это явление аккомодации.
• Концентрация ионов. Например, гипокальциемия сдвигает КУД ближе к покою, повышая возбудимость нервов и мышц вплоть до судорог (тетания).

В клинической нейрофизиологии именно через эти сдвиги объясняют, почему при одних состояниях ткань становится сверхвозбудимой, а при других перестаёт отвечать.

Почему именно на КУД срабатывает «всё или ничего»

Закон «всё или ничего» гласит: если стимул достигает порога, потенциал действия возникает с максимальной для данной клетки амплитудой; если не достигает - не возникает вовсе. Промежуточных по амплитуде потенциалов действия не бывает. КУД - это и есть та граница, на которой действует этот закон.

Логика проста. Пока деполяризация не дошла до КУД, мы наблюдаем локальный ответ - градуальный, зависящий от силы стимула. Как только потенциал пересекает КУД, регенеративный натриевый ток выводит систему из-под контроля стимула, и дальше развёртывается стандартный потенциал действия - всегда одинаковой формы и амплитуды для данной мембраны. Поэтому информация в нервной системе кодируется не амплитудой импульсов, а их частотой и распределением во времени. Как именно затем разворачиваются фазы спайка, подробно показано в материале про фазу деполяризации потенциала действия.

Локальный ответ и суммация сигналов

Главная биологическая роль локального ответа - дать мембране возможность интегрировать множество входов. На теле и дендритах нейрона сходятся тысячи синапсов, каждый создаёт небольшой подпороговый сдвиг. Поодиночке такой сигнал затухает, не достигнув аксонного холмика. Но за счёт градуальности и способности к суммации локальные ответы складываются.

Различают два вида суммации. Временная суммация - когда импульсы по одному синапсу приходят так часто, что следующий локальный ответ накладывается на ещё не угасший предыдущий. Пространственная суммация - когда одновременно активны разные синапсы, и их локальные ответы складываются в одной точке. Если суммарная деполяризация в зоне аксонного холмика, где плотность натриевых каналов и КУД оптимальны для запуска, достигает критического уровня, нейрон генерирует потенциал действия. Так из множества слабых подпороговых сигналов рождается решение «выстрелить».

Частые ошибки

• Путать локальный ответ с потенциалом действия. Локальный ответ градуален, локален и обратим; потенциал действия подчиняется «всё или ничего» и распространяется. Это качественно разные явления.
• Считать КУД и порог раздражения синонимами. КУД - значение напряжения на мембране (мВ), порог раздражения - сила внешнего стимула (ток, мА). Их нельзя приравнивать.
• Думать, что КУД - константа. При аккомодации, изменении концентрации ионов или длительной деполяризации КУД смещается, а с ним меняется и возбудимость.
• Игнорировать знак при расчёте порога деполяризации. И покой, и КУД отрицательны; порог - это разность, например $-55 - (-70) = +15$ мВ.
• Приписывать локальному ответу рефрактерность. Во время локального ответа мембрана возбудима, рефрактерность появляется только после запуска потенциала действия.

FAQ

Чем локальный ответ отличается от электротонического потенциала? Электротонический (пассивный) потенциал - это чисто кабельный сдвиг от приложенного тока, без участия ионных каналов. В локальном ответе уже частично открываются потенциал-зависимые натриевые каналы, поэтому он немного «активный»: его амплитуда чуть больше, чем дал бы один пассивный ток, но до самоподдержания дело ещё не доходит.

Как рассчитать критический уровень деполяризации? Прямой формулы для КУД нет - это экспериментально измеряемое значение мембранного потенциала, при котором запускается потенциал действия (для нейрона около $-55$ мВ). По нему считают порог деполяризации как разность КУД и потенциала покоя: $\Delta V = \text{КУД} - E_{\text{покоя}}$.

Почему при гипокальциемии повышается возбудимость? Ионы кальция стабилизируют мембрану и удерживают КУД на удалении от покоя. При снижении кальция КУД смещается ближе к потенциалу покоя, порог деполяризации уменьшается, и нервы с мышцами начинают возбуждаться от слабых стимулов - отсюда судорожная готовность и тетания.

Коротко

Локальный ответ - это градуальная, нераспространяющаяся и способная к суммации деполяризация мембраны при подпороговом стимуле; в нём уже чуть участвуют натриевые каналы. Критический уровень деполяризации (КУД, около $-55$ мВ у нейрона) - то значение потенциала, на котором регенеративный натриевый ток выходит из-под контроля стимула и запускает потенциал действия по принципу «всё или ничего». Порог деполяризации - это разность между КУД и потенциалом покоя, а возбудимость ткани определяется тем, насколько легко мембрана доходит от покоя до КУД.