Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

1ПД – потенциал действия, ПП – потенциал покоя

Развитие мембранной теории

Предсказание Бернштейна об изменении проницаемости мембраны при возбуждении удалось проверить только спустя четверть века, в 1938 году. Хотя возобновившееся после Первой мировой войны изучение свойств мембраны совершенствовалось, технические трудности были слишком велики: ведь надо было уловить изменение электрического потенциала, которое длится всего несколько миллисекунд!

Первого прорыва достигли в 1937 году американские биологи К.С.Кол и Г. Кертис, которые догадались вместо традиционных нерва или мышцы лягушки исследовать клетку водоросли. То, что растения способны к генерации электрических потенциалов, учёным известно было давно. Знали они и то, что все электрические процессы у растений идут значительно медленнее. Оставалось найти только клетку побольше – такая, с диаметром около полмиллиметра, нашлась у водоросли нителлы.

На этом неожиданном объекте и провели свой опыт Кол и Кертис. Они обнаружили, что при возбуждении сопротивление мембраны, как и предсказывалось, уменьшается, правда, не до нуля, но существенно, почти в 200 раз.

Через год, в 1938 году, одновременно две группы исследователей в двух местах – К.С.Кол и Г. Кертис, работавшие на морской станции Океанологического института в Вудс-Холе, и Ходжкин с Хаксли, работавшие на морской станции в Плимуте, измерили потенциал действия и потенциал покоя на новом модельном объекте – гигантском аксоне кальмара.

Гигантские аксоны есть у многих беспозвоночных. Но у кальмара он особенно крупный – диаметр его у обычных кальмаров рода Loligo (с длиной тела 30—40 см) достигает 1 мм, а у некоторых видов ещё в 2—3 раза больше.

Гигантские аксоны были описаны ещё в начале ХХ века; но об открытии забыли, и все считали их кровеносными сосудами. «Переоткрыл» гигантские аксоны зоолог Джон Янг в 1936 году. И не только переоткрыл, но и предложил физиологам использовать их для работы. Совет оказался очень удачным. Наилучшим образом им воспользовались Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, получившие за свою работу Нобелевскую премию.

На этом этапе Алану Ходжкину и Эндрю Хаксли по образцу экспериментов Кеннета Кола и Говарда Кертиса удаётся создать миниатюрные электроды и ввести их в аксон. Обе группы с помощью внутриклеточных электродов определяют полный потенциал покоя на гигантских нервных волокнах кальмара и публикуют свои результаты в 1939 и 1940 годах.

Как в своё время Первая мировая война помешала Бернштейну исследовать гипотезу «дырок», так начавшаяся 1 сентября 1939 года Вторая мировая вынудила Ходжкина и Хаксли отложить свои исследования. Во время войны Ходжкин участвовал в разработке радиолокационных станций.

Двухэлектродная фиксация потенциала

Только по окончании войны, в конце 40-х – начале 50-х годов, натриевая гипотеза приобретает современные черты, формируется натриевая теория.

Ведущую роль в дальнейших исследованиях сыграл новый метод фиксации потенциала с помощью двух электродов (в англоязычной литературе TEVC – two-electrode voltage clamp), разработанный в конце 1930-х годов К. С. Колом и Дж. Мармонтом. Этот метод позволял измерять не только потенциал, но и токи при заданном значении мембранного потенциала.

Идея метода «зажима напряжения» приписывается Кеннету Колу и Джорджу Мармонту. Весной 1947 года Кол обнаружил, что можно использовать два электрода и цепь обратной связи для поддержания мембранного потенциала клетки на заданном экспериментатором уровне.

Два электрода были сделаны из тонких проводов, скрученных вокруг изоляционного стержня. Поскольку подобные электроды можно было вставить только в самые большие клетки, первые электрофизиологические эксперименты проводились почти исключительно на аксонах кальмаров.

В клетку помещали два электрода, один из которых измерял потенциал относительно внеклеточного электрода сравнения и передавал его значение на специальный усилитель, который сравнивал измеренный потенциал со значением командного. Это устройство вычисляло величину тока, необходимого для компенсации этой разницы потенциалов, и подавало через второй внутриклеточный электрод ток такой величины, чтобы потенциал на мембране клетки стал равен V_cmd (V_m = V_cmd). По амплитуде тока, необходимого для компенсации сдвига потенциала до V_cmd, можно было судить о токе через мембрану при данном значении мембранного потенциала. Ток при данном значении потенциала равен току, подаваемому на второй электрод, взятому с обратным знаком.

Рисунок 35. Схема фиксации потенциала с помощью двух электродов

Гигантский аксон кальмара стал первым препаратом, который мог быть использован для измерения напряжения и трансмембранного тока, что и стало основой пионерских экспериментов Ходжкина и Хаксли со свойствами потенциала действия. Летом 1952 года Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли опубликовали пять статей, описывающих, как ионные токи вызывают потенциал действия.