Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

Забегая вперёд, давайте на секундочку предположим, что нервный импульс подобен пульсовой волне, что это всплеск повышенного давления, распространяющийся по аксону. Назовём его для удобства изложения – «Нейротон».

Нейротон не является синусоидальной (гармонической) волной, а представляет собой одиночную волну. И для его описания могут быть применены соответствующие математические инструменты.

Например, его скорость в аксоне можно примерно определить с помощью формулы Моенса-Кортевега, используемой для определения скорости Пульсовой волны:

Где: Е – плотность вещества сосуда, p – модуль упругости, h – толщина клеточной мембраны, d – диаметр аксона.

p – модуль упругости – 1,05 * 10³ кг/м³ (значение используется для вычисления скорости пульсовой волны).

H – толщина мембраны – 70—80 А (1А=10^—10 м).

d – диаметр нервного волокна – 0.1—20 мкм.

Е – плотность вещества сосуда, для чистой воды составляет 2030 Мпа или 20300 кгс/см².

Формула Моенса-Кортевега экспериментально проверена для больших кровеносных сосудов (включая капилляры), а для таких тонких, как аксон, возможно, требуется дополнительное исследование и уточнение.

Формула применима лишь для приблизительного описания процесса распространения нейротона, поскольку объясняет распространение линейной волны, а нейротон это, возможно, нелинейная волна.

По случайному стечению обстоятельств скорость пульсовой волны примерно соответствует скорости нервного импульса в немиелинизированном нервном волокне. Достоверно известно – для людей молодого и среднего возраста скорость распространения пульсовой волны в аорте равна 5,5—8,0 м/с. С возрастом у человека уменьшается эластичность стенок артерий, и скорость пульсовой волны увеличивается. То есть применительно к нервному импульсу можно рассматривать миелиновое покрытие как «армирование» нервного волокна, которое приводит к увеличению плотности вещества сосуда и, следовательно, к увеличению скорости нервного импульса.

При прохождении нейротона по аксону происходит воздействие на мембрану (давление и растяжение), что, в свою очередь, вызывает изменение свойств мембраны, в том числе и проводимость ионов. В результате возникает хорошо всем известный электрический потенциал действия.

Рисунок 53. Расширение стенок нейрона

На приведённом рисунке изображено расширение стенок нейрона только для наглядности. Реально такого расширения может и не происходить, но это не отменяет изменения плотности внутриклеточного вещества в аксоне в момент прохождения нейротона.

И вот здесь, мы возвращаемся к нашим рассуждениям о равновесии системы из трёх составляющих – потенциал, концентрация ионов, давление (принцип Ле Шателье – Брауна). Изменяется внутренне давление – изменяется ионная концентрация, меняется потенциал на мембране. Кроме того, нейротон, проходя по аксону, формирует локальную область изменённого давления, которая, в свою очередь, создаёт условия для диффузии ионов через мембрану. После прохождения волны изменённого давления, система возвращается в исходное состояние. А мы наблюдаем перемещающийся вслед за нейротоном потенциал действия. Так просто.

А как же ионные каналы?

Рисунок 54. Модель воротного механизма ионного канала

При этом не оспариваются известные сведения ни о составе, ни о структуре биологических мембран. Но выдвигается гипотеза о том, что в момент нарастания давления во фронте нервного импульса открываются калиевые каналы, а при снижении давления – натриевые. Ионные каналы работают по принципу «ниппель». Это гораздо проще, чем объяснение работы ионных каналов через электрические потенциалы.

Таким образом, распространяющаяся вдоль аксона волна изменения электрического потенциала является не собственно нервным импульсом, а его следствием, вторичным признаком, благодаря которому до сих пор сделаны все наблюдения за его распространением.

Причём, что примечательно, величина ПД не может быть больше определённого Бернштейном значения и полностью соответствует наблюдениям – он либо есть, либо его нет. Можно предположить, что ионные каналы срабатывают при достижении определённого уровня давления P_min в зоне прохождения нервного импульса (или пропорционального давлению изменения концентрации ионов внутри клетки).

На рисунке проиллюстрировано, что при изменении давления в некотором диапазоне величина потенциала действия может оставаться постоянной. Правда, при этом, возможно, уменьшается длительность импульса – τ, но све́дений о таких исследованиях у меня пока нет.

Рисунок 55. Зависимость потенциала действия от давления в аксоне.

Хотелось бы сказать, что это моё открытие, но оказалось, что всё придумано до нас, правда, применительно к системе кровообращения. Там тоже под действием изменяющегося внутреннего пульсового давления в капиллярах происходит осмотический процесс диффузии через стенку капилляра (причём в обе стороны!).