Регистрация и исследование потенциалов действия нерва
Биполярный метод регистрации потенциала действия нервного ствола
Характер кривой потенциала действия (ПД) нерва во многом определяется условиями его отведения. В зависимости от того, отводят ли его с помощью двух или одного активного электрода, находится ли нерв в непроводящей среде (залит маслом или приподнят в воздухе) или окружен электролитом, форма кривой ПД меняется.
Существует два основных способа отведения биопотенциалов: внутриклеточный и внеклеточный. При внутриклеточном отведении один из электродов вводится внутрь клетки, при этом регистрируют монофазный потенциал действия. В качестве внутриклеточных электродов используют микропипетки диаметром кончика 0,5-3 мкм, которые заполняются раствором хлорида калия или натрия. Микроэлектроды для внеклеточных отведений могут иметь более толстый кончик (их изготавливают из стекла или металла). Внеклеточное отведение может быть как монополярным, так и биполярным.
При биполярном отведении оба отводящих электрода помещают на неповрежденную поверхность нерва на некотором расстоянии друг от друга. Если нанести сильное раздражение с помощью раздражающего электрода, соединенного со стимулятором, то луч на экране осциллографа сначала отклонится в одну, а затем в противоположную сторону – регистрируется двухфазное колебание потенциала действия. Его происхождение обусловлено последовательным распространением возбуждения от места раздражения до места регистрации. Схема на рис. 7 объясняет механизм возникновения этих двух противоположно направленных отклонений потенциала. В состоянии покоя все участки наружной поверхности мембраны заряжены электроположительно по отношению к ее внутренней поверхности. Когда волна возбуждения, возникшая под раздражающим (стимулирующим) электродом (СЭ), проходит через участок под первым отводящим электродом (ОЭ1), наружная поверхность мембраны в этом месте становится электроотрицательной по отношению к участку под вторым отводящим электродом. Это вызывает отклонение луча осциллографа вверх — формируется первая фаза ПД. Когда волна возбуждения покидает данный участок нерва, луч возвращается в исходное положение. В дальнейшем ситуация изменяется. Волна возбуждения уходит из зоны первого электрода, перемещаясь в зону второго электрода. Теперь этот участок становится электроотрицательным по отношению к участку под первым электродом, и луч осциллографа отклоняется вниз — в дополнение к первой в составе ПД формируется вторая фаза ПД (рис. 7).
При монополярном отведении один из отводящих электродов помещают на неповрежденный участок нерва, а другой (ОЭ2) — на умерщвленный участок нерва. В этом случае при возбуждении на экране осциллографа регистрируется монофазный ПД: его вторая фаза отсутствует, так как под вторым электродом участок нерва не способен возбуждаться.
Установка для регистрации потенциалов действия нерва состоит из усилителя биопотенциалов, катодного осциллографа, стимулятора, электродов (раздражающие и отводящие) и камеры для размещения нервного ствола (рис. 8)
Цель работы: ознакомиться с методикой биполярного отведения ПД нерва и проследить в эксперименте зависимость формы ПД от способа отведения.
Оснащение: электрофизиологическая установка для регистрации потенциала действия нерва, набор препаровальных инструментов, раствор Рингера, лягушка.
Содержание работы: собирают установку как это показано на схеме (рис.8). Из нервно-мышечного препарата лягушки выделяют седалищный нерв, отпрепаровывая его на максимальную длину (от позвоночника до коленного сустава). Помещают нерв во влажную камеру на электроды. Раздражающие электроды подключают к выходу стимулятора, отводящие электроды соединяют с входом усилителя. Осциллограф переводят в ждущий режим работы с запуском от синхронного стимулятора. Развертку подбирают в процессе опыта. Подбирают амплитуду одиночных импульсов и, постепенно усиливая силу раздражителя, наблюдают за формой возникающих потенциалов действия на экране осциллографа.
Оформление результатов работы: 1. Записать ход опыта, зарисовать схему установки для регистрации ПД нерва, а также вид полученных кривых ПД при биполярном отведении электродов. 2. В выводе объяснить, почему регистрируемый ПД нерва имеет вид двухфазного колебания.
Исследование некоторых особенностей потенциала действия нерва
Если раздражать нерв пороговым или сверхпороговым раздражителями, то будет регистрироваться суммарный потенциал действия. При этом в диапазоне от пороговых до сверхпороговых воздействий амплитуда ПД нервного ствола будет меняться в соответствии с законом «силы». Это связано с тем, что целый нерв (или нервный ствол) состоит из множества отдельных нервных волокон, каждое из которых имеет свой порог возбудимости. При слабой силе стимула возбуждение возникает в наиболее возбудимых нервных волокнах, каждое из которых будет отвечать на действие раздражителя по закону «все или ничего». Усиление стимула приводит к увеличению числа возбужденных волокон, поэтому суммарный ответ нервного ствола на раздражение увеличивается до тех пор, пока все волокна не будут вовлечены в ответную реакцию. Поэтому при увеличении силы воздействия амплитуда ПД возрастает, достигая максимальной величины, и затем остается постоянной, несмотря на дальнейшее увеличение силы раздражителя.
Другой особенностью регистрируемого суммарного потенциала действия является его расчленение на отдельные колебания (рис.9). Впервые это явление было подробно изучено Эрлангером и Гассером (1937). Причиной расчленения суммарного ПД на компоненты является неодинаковая скорость проведения возбуждения по разным нервным волокнам, которые входят в состав нервного ствола, вследствие чего к отводящим электродам нервные импульсы поступают по волокнам неодновременно. Такую картину можно наблюдать, если увеличить расстояние между отводящими и раздражающими парами электродов.
Цель работы: в эксперименте наблюдать изменение формы ПД от силы раздражителя, составной характер суммарного ПД нервного ствола и закономерности проведения возбуждения по нерву.
Содержание работы: подбирают амплитуду одиночных стимулов, определяя пороговую величину раздражителя по появлению ПД нерва. Постепенно усиливая силу раздражения, наблюдают за изменением формы возникающих потенциалов действия. Изменяя силу раздражения, наблюдают изменения на кривой ПД, которая распадается на отдельные компоненты.
В данном опыте можно проследить явление двустороннего распространения возбуждения по нерву. На экране осциллографа регистрируются ПД от двух отводящих электродов, расположенных по бокам от раздражающего электрода. Таким образом, возбуждение (или ПД), возникшее под раздражающим электродом, распространяется по нервному волокну в обе стороны от места возникновения.
Оформление результатов работы: 1. Записать ход опыта, зарисовать характер кривых ПД нерва при разных силах раздражителя. 2. В выводе объяснить, почему регистрируемый суммарный ПД нерва подчиняется закону силы, а не закону «все или ничего», почему не наблюдается существенного изменения величины ПД, несмотря на то, что нерв во время опыта раздражается продолжительное время. 3. Объясните, как в настоящем эксперименте доказан закон двустороннего распространения возбуждения по нерву.
Определение скорости проведения возбуждения по нерву
Скорость распространения возбуждения по нерву зависит от вида входящих в него нервных волокон. Время от момента нанесения раздражения до начала развития последующего компонента ПД позволяет определить скорость распространения возбуждения.
Скорость распространения возбуждения по нерву (V) можно рассчитать по формуле: V=S/t, где S — длина нервного ствола между раздражающим и отводящим электродом; t — время, в течение которого возбуждение, возникшее под стимулирующим электродом, распространяется до участка, где находится регистрирующий электрод.
Цель работы: в эксперименте определить скорость распространения ПД по седалищному нерву лягушки.
Содержание работы: подбирают силу раздражающего стимула и скорость развертки луча так, чтобы на экране осциллографа были видны одновременно артефакт раздражения и ПД нерва. Циркулем или сантиметровой линейкой измеряется интервал от артефакта раздражения до начала восходящей фазы ПД нерва (Т — длина интервала) (рис. 10). Измеряют расстояние между раздражающим и отводящим электродами. Зная показатели длительности развертки, то есть время, за которое луч пробегает на экране осциллографа известное расстояние, вычисляют время (t) и подставляют его в формулу для вычисления скорости проведения возбуждения по нерву.
Например, расстояние от раздражающего до отводящего электрода (S) составляет 35 мм, длина интервала от артефакта до ПД (Т) — 2 мм. Длительность развертки луча = 0,02 с/см. Определяем, за какое время луч проходит на экране расстояние Т, используя значение длительности развертки. То есть, если луч проходит расстояние 1см (10 мм) за 0,02 с., то найденный интервал 2 мм он пройдет, соответственно, за 0,004 с. Подставляем данное значение времени в формулу и определяем скорость проведения возбуждения по седалищному нерву лягушки. В нашем примере оно равно 8750 мм/с. или 8,75 м/с. Данная скорость соответствует миелиновым нервным волокнам (тип В).
Оформление результатов работы: 1. Зарисовать схему электрофизиологической установки для регистрации ПД. 2. На схеме указать расстояние между раздражающим и отводящим электродами, интервал между артефактом раздражения и ПД. 3. Провести соответствующие вычисления и найти скорость проведения возбуждения по седалищному нерву лягушки в эксперименте и определить тип нервных волокон.