Heading

Proces pobudzania i przewodzenia w mielinizowanych włóknach nerwowych kręgowców charakteryzuje się cechami nieciągłości i saltacji. Niewątpliwie te cechy wyróżniające wynikają z następujących właściwości histologicznych i fizjologicznych tych włókien nerwowych.

• Osłonka mielinowa, która pokrywa oś-cylindra tych włókien nerwowych jest przerwana więcej-lub-less regularnie w każdym węźle Ranviera.
• Przepływ prądu elektrycznego w i wokół tych włókien nerwowych jest ograniczony przez izolację osi-cylindra z osłonką mielinową.
• Warstwa korowa walca osiowego w węźle Ranviera jest zdolna do wytwarzania potencjałów czynnościowych w sposób all-or-none w odpowiedzi na przepływ prądu elektrycznego skierowanego na zewnątrz.
• Potencjał czynnościowy wytworzony w jednym z węzłów Ranviera generuje impuls silnego prądu skierowanego na zewnątrz w sąsiednich węzłach.

• 1 Osłonka mielinowa i węzły Ranviera
• 2 Izolacja elektryczna osi-cylindra przez osłonkę mielinową
• 3 Przepływ prądu przez osłonkę mielinową
• 4 Prąd skierowany do wewnątrz związany z pobudzeniem węzła Ranviera
• 5 Wytwarzanie potencjałów czynnościowych all-or- none przez pojedynczy węzeł.none potencjałów czynnościowych przez pojedynczy węzeł Ranviera
• 6 Margines bezpieczeństwa w przewodzeniu nerwowym
• 7 Przewodzenie solne – narracja historyczna
• 8 Piśmiennictwo
• 9 See Also

Osłonka mielinowa i węzły Ranviera

Izolacja elektryczna osi-cylindra przez osłonkę mielinową

W 1934 roku, wkrótce po opracowaniu techniki chirurgicznego wyizolowania włókna nerwu ruchowego unerwiającego mięsień brzuchaty łydki ropuchy w laboratorium G. Kato, M. Kubo i S. Ono dokonali odkrycia wskazującego, że otoczka mielinowa wywiera silny wpływ na skuteczność impulsu prądu stymulującego.

Figura 1: Natężenie progowe długiego impulsu prądowego dla pobudzenia włókna nerwu ruchowego wykreślone względem odległości od węzłów Ranviera. B przedstawia baterię. Stymulująca katoda (elektroda pipetowa o średnicy 100 m na końcu) była przesuwana w płytkim basenie z solą fizjologiczną stopniowo wzdłuż włókna nerwowego. Jako wskaźnik pobudzenia nerwu przyjęto drganie mięśniowe typu all-or-none.

Przez pomiar progowych natężeń impulsów prądowych dostarczanych do włókna nerwowego pływającego w płytkim basenie roztworu soli fizjologicznej za pomocą elektrody pipetowej stwierdzono, że próg osiąga ostre minimum, gdy katoda stymulująca jest umieszczona blisko jednego z węzłów i ostre maksimum, gdy końcówka elektrody znajduje się w punkcie znajdującym się w połowie drogi między dwoma sąsiednimi węzłami. Z obszernej analizy tego i kolejnych wyników badań eksperymentalnych wynikają następujące wnioski.

• Oporność omowa osłonki mielinowej jest bardzo duża.
• Proces pobudzenia jest wywoływany we włóknie nerwowym przez przepływ prądu na zewnątrz węzła.

Pojemnościowy przepływ prądu przez osłonkę mielinową

Na krótko przed II wojną światową okazało się możliwe rejestrowanie prądów czynnościowych pochodzących z krótkiego odcinka włókna nerwowego poprzez podzielenie otaczającego go roztworu soli na niezależne baseny za pomocą wąskich szczelin powietrznych. (Patrz rysunek 2.)

Figura 2: Po lewej: Schematyczny schemat ilustrujący układ zastosowany do rejestracji prądu czynnościowego z krótkiego ( l mm długości) mielinizowanego odcinka izolowanego włókna nerwowego i przykład uzyskanych zapisów. Po prawej stronie: Prąd czynnościowy zarejestrowany z krótkiego segmentu zawierającego węzeł Ranviera. W celu wywołania impulsu przewodzonego przez miejsce rejestracji, dostarczono krótki wstrząs elektryczny do włókna w pobliżu jego proksymalnego końca.

Lewy zapis na rycinie pokazuje przebieg czasowy prądu przemierzającego krótki mielinizowany region włókna nerwowego w czasie, gdy impuls przechodzi przez ten region. Zauważmy, że przedział czasu pomiędzy dwoma szczytami przejściowego prądu wyjściowego pokrywa się z czasem przewodzenia międzywęzłowego (~2mm / 20mm na msec). Najwyraźniej te dwa szczyty są wytwarzane przez pojemnościowy przepływ prądu przez osłonkę mielinową w połączeniu z początkiem potencjału czynnościowego w węźle \(N_{1}\) i w węźle \(N_{2}\) na górnym diagramie. Z tego i innych związanych z tym eksperymentów wynika, że osłonka mielinowa zachowuje się jak prosty kondensator elektryczny o wysokiej oporności równoległej.

Prąd wewnętrzny związany z pobudzeniem węzła Ranviera

Rysunek 2, po prawej, przedstawia przebieg czasowy prądu czynnościowego przemierzającego powierzchnię krótkiego fragmentu włókna nerwowego zawierającego jeden węzeł Ranviera (N_{1}}). Jest on rejestrowany w czasie, gdy przez ten odcinek przechodzi impuls. Najwyraźniej pierwsze odchylenie w górę reprezentuje skierowany na zewnątrz prąd związany z powstawaniem potencjału czynnościowego w węźle proksymalnym (N_{0}}).

Badając wpływ roztworu znieczulającego dodanego do basenu dystalnego i do basenu środkowego roztworu soli, wykazano, że ostre odchylenie w dół reprezentuje prąd skierowany do wewnątrz, zainicjowany przez pojawienie się potencjału czynnościowego w węźle środkowym (N_{1}}) i zakończony przez pojawienie się potencjału czynnościowego w węźle dystalnym (N_{2}}).

Wytwarzanie potencjałów czynnościowych all-or-none przez pojedynczy węzeł Ranviera

Potencjały czynnościowe rozwijane przez pojedynczy węzeł Ranviera mogą być rejestrowane poprzez podłączenie dystalnej części izolowanego włókna nerwowego do wzmacniacza o wysokiej impedancji wejściowej, a następnie znieczulenie wszystkich węzłów po proksymalnej stronie badanego węzła. (Patrz Rysunek 3.)

W tym przypadku, odpowiedzi elektryczne są wywoływane z węzła (N_{1}}) poprzez dostarczenie krótkich impulsów napięcia pomiędzy basenem z normalną solą fizjologiczną (w którym zanurzony jest N_{1}) a proksymalną częścią włókna (oddzieloną od basenu zawierającego normalną sól fizjologiczną wąską szczeliną powietrzną). Obserwowane potencjały czynnościowe mają amplitudę około 110 mV i charakteryzują się gwałtowną fazą narastania i stopniowym opadaniem, po czym na końcu następuje nieco przyspieszony spadek potencjału. Należy zauważyć, że pełnowymiarowe potencjały czynnościowe są produkowane w sposób all-or-none, gdy potencjał wewnątrz węzła jest podniesiony do poziomu progowego (w przybliżeniu 20 mV w tym przypadku) przez zastosowane impulsy.

Margines bezpieczeństwa w przewodnictwie nerwowym

Produkcji potencjału czynnościowego w jednym węźle włókna nerwowego towarzyszy przepływ prądu krążącego lokalnie pomiędzy pobudzonym węzłem a sąsiednim węzłem spoczynkowym. Wielokrotnie dowiedziono, że prąd zewnętrzny generowany w sąsiednim węźle jest znacznie bardziej intensywny niż poziom potrzebny do pobudzenia węzła w stanie spoczynku. Innymi słowy, proces sukcesywnego ponownego pobudzania węzłów przez prąd lokalny (Strömchen, Hermann, 1879) przebiega ze znacznym marginesem bezpieczeństwa. Należy przy tym pamiętać, że pojemnościowy przepływ prądu przez osłonkę mielinową narzuca ścisłe dolne ograniczenie czasu, w którym proces pobudzenia (tj. gwałtowna zmiana e.m.f.) może przeskoczyć z jednego węzła do drugiego.

Przewodnictwo solne – narracja historyczna

Zimą 1938 roku autor (I. Tasaki) prowadził badania nad wpływem środków znieczulających na izolowane pojedyncze włókna nerwowe w laboratorium fizjologicznym Uniwersytetu Keio w Tokio. W tym czasie, na podstawie wcześniejszych eksperymentów na pojedynczych włóknach nerwowych z wykorzystaniem techniki stymulacji tripolarnej, istniały liczne dowody wskazujące na to, że włókno nerwowe jest elektrycznie izolowane przez osłonkę mielinową, a także, że rozchodzący się impuls nerwowy jest generowany przez przepływ prądu na zewnątrz przez nieizolowaną powierzchnię osi-cylindra w węzłach Ranviera.

Pewnego wieczoru autor postanowił zbadać wpływ roztworu kokainy-Ringera o stężeniu 3 mM na krótki fragment – w tym pojedynczy węzeł Ranviera – preparatu włókna nerwu ruchowego-żołądka. W celu zbadania pobudliwości węzła przed i po zastosowaniu środka znieczulającego zastosowano technikę stymulacji tripolarnej, podobnie jak poprzednio.

Bezzwłocznie po nałożeniu roztworu kokainy-Ringera na pojedynczy węzeł udowodniono, że zastosowane stężenie kokainy było wystarczająco wysokie, aby uczynić badany węzeł całkowicie niepobudliwym. Kiedy badano efekt wstrząsu stymulującego przyłożonego do włókna nerwowego, zauważono ze zdumieniem, z wielkim podnieceniem, że roztwór znieczulający nie spowodował żadnego bloku przewodzenia. Oznacza to, że impuls nerwowy wywołany w proksymalnej części włókna był przewodzony przez jeden całkowicie niepobudliwy węzeł do części dystalnej włókna. Natychmiast pojawiło się intrygujące pytanie: jak impuls nerwowy może przemieszczać się przez niepodatny obszar włókna nerwowego?

W tamtych czasach większość fizjologów przyjęła założenie, że impulsy nerwowe przemieszczają się w sposób ciągły we wnętrzu osi-cylindra. Kiedy ujawniono zaskakujący fakt doświadczalny podany powyżej, stało się natychmiast jasne, że słuszność tego starego, powszechnie przyjętego założenia musi zostać zakwestionowana.

Dalsze eksperymenty ujawniły następujące fakty:

• Każdy uraz mechaniczny lub osmotyczny zadany znieczulonemu obszarowi natychmiast blokuje przewodnictwo nerwowe w tym obszarze.
• Podanie roztworu znieczulającego wyłącznie na mielinizowany odcinek włókna nerwowego nie powoduje żadnych istotnych zmian w pobudliwości włókna.
• Gdy znieczulany jest odcinek włókna obejmujący dwa kolejne węzły, blok przewodzenia występuje sporadycznie.
• Gdy w obszarze silnie znieczulonym znajdują się trzy lub więcej węzłów, nie obserwuje się przewodzenia impulsów nerwowych przez ten obszar.

Nie było trudno uzyskać rozsądne zrozumienie wszystkich tych wyników eksperymentalnych. Na krótko przed przeprowadzeniem tych eksperymentów, A L. Hodgkin (1937) badał mechanizm bloku przewodzenia wywołanego mechanicznym uciskiem żabiego nerwu kulszowego (pnia) i wyjaśnił uzyskane wyniki na podstawie teorii prądu lokalnego Hermanna. Okazało się, że teoria Hermanna oferuje w pełni satysfakcjonujące wyjaśnienie wszystkich wyżej wymienionych wyników badań eksperymentalnych. Zalecane wyjaśnienie jest następujące.

„Potencjał czynnościowy wytworzony przez węzeł zanurzony w normalnym roztworze Ringera generuje przepływ prądu skierowanego na zewnątrz w sąsiednich węzłach. Prąd ten jest tak silny, że nawet po przejściu stopniowego tłumienia w znieczulonym obszarze obejmującym jeden lub dwa węzły, jest on nadal zdolny do pobudzenia pierwszego normalnego węzła po dystalnej stronie znieczulonego obszaru. Blok przewodzenia ma miejsce, gdy prąd wychodzący z proksymalnego normalnego węzła staje się podprogowy dla węzła znajdującego się po dystalnej stronie znieczulanego obszaru.”

W rzeczywistości, mierząc progowe natężenia testowych wstrząsów elektrycznych przyłożonych do węzła dystalnego, zdecydowanie wykazano, że oczekiwany ledwie podprogowy prąd przemierza węzeł dystalny, gdy blok przewodzenia rzeczywiście ma miejsce. Co więcej, przedstawiono dowody na to, że roztwór soli poza włóknem nerwowym jest bezpośrednio zaangażowany jako droga prądu w procesie ponownej stymulacji kolejnych węzłów. Rękopis opisujący wszystkie te wczesne obserwacje dotyczące przewodnictwa saltacyjnego został wysłany do USA i opublikowany w American Journal of Physiology w 1939 roku.

W kolejnych latach autor powtarzał, potwierdzał i rozszerzał te wczesne obserwacje rejestrując prądy czynnościowe izolowanych pojedynczych włókien nerwowych za pomocą skonstruowanego przez siebie oscyloskopu katodowego. Kiedy nadszedł czas publikacji nowych wyników, trzeba było przezwyciężyć nową trudność wynikającą z niespokojnej sytuacji na świecie w tym czasie. Ponieważ niemożliwe stało się staranie o publikację nowego materiału w USA, dwa pierwsze manuskrypty (napisane w języku niemieckim) musiały zostać wysłane do Frankfurtu w Niemczech koleją syberyjską. Gdy w 1941 r. trasa syberyjska stała się niedostępna, rękopisy zostały wysłane do Frankfurtu łodzią podwodną przez Amerykę Południową.

Rycina 4: Dr Ichiji Tasaki. Zdjęcie zrobione w 1954 roku, w najbardziej przełomowym momencie jego kariery.

Długi czas po zakończeniu wojny okazało się, że wszystkie rękopisy wysłane do Niemiec zostały zaakceptowane i opublikowane przez Pflügers Archiv. Mniej więcej w tym czasie w Tokio otrzymano wiadomość, że nowe eksperymenty zostały przeprowadzone na przewodnictwie saltacyjnym przez A F.Huxleya i R.Stämpfli.

Dużo później, tutaj w National Institutes of Health, bezwzględne wartości oporu i pojemności osłonki mielinowej i innych części włókna nerwowego zostały zmierzone w miarę wiarygodną metodą (1955). Ponadto, przebieg czasowy potencjału czynnościowego rozwijanego przez pojedynczy węzeł Ranviera mógł być określony z dość dużą dokładnością (1956). Dane te stanowiły podstawę do ilościowej analizy zjawiska przewodnictwa saltacyjnego w mielinizowanych włóknach nerwowych (por. Tasaki, 1982).

Ranvier, L. (1871) Contribution á l’histologie et á la physiologie des nerfs périphériques. C. R. 73, 1168-1171.

Hermann, L. (1879) Handbuch der Physiologie., Theil 1. 1-196, Vogel, Leibzig.

Kato, G. (1934) Microphysiology of Nerve, Maruzen, Tokyo.

Tasaki, I. (1939) Am. J. Physiol. 127: 211-227.

Tasaki, I., and Takeuchi, T, (1941) Pflügers Arch ges. Physiol. 244: 696-711; i (1942) 245; 764-782.

Huxley, A. F., and Stämpfli, R. (1949) J. Physiol. 108: 315-339.

Hodgkin, A. L. (1937) J. Physiol. 90: 183 – 232.

Tasaki, I. (1982) Physiology and Electrochemistry of Nerve Fibers, Academic Press,New York.

Zobacz także

Elektrofizjologia, Neuron, Pobudliwość neuronów

Przykłady.