Биоэлектрические потенциалы растений. Электрофизиология растений

Биоэлектрические потенциалы растений | Справочник врача

Для всех живых организмов общим свойством является раздражимость как способность реагировать приспособительными реакциями на воздействия факторов окружающей среды. Электрофизиологические исследования, проведенные на самых различных тканях и органах животных, начиная от простейших и кончая наиболее высокоорганизованными, свидетельствуют о том, что процесс возбуждения всегда сопровождается генерацией распространяющихся колебаний электрических потенциалов. Каждая живая клетка окружена электрически поляризованной мембраной, и потенциал этой мембраны закономерно изменяется при тех или иных воздействиях.

Естественно, возникает предположение, что подобные закономерности должны быть присущи и растительным клеткам, поскольку раздражимость — общее свойство живого.

Электрофизиологические исследования на растительных объектах впервые были проведены в 1866 г. Н. К. Леваковским. В последующие годы и в настоящее время в этом направлении работали и работают многие крупные как отечественные, так и зарубежные авторы (Е. Ф. Вотчал, Ю. Сакс, В. Остергаут, А. М. Синюхин, А. Б. Коган и др.).

Наиболее удобными объектами исследования оказались морские и пресноводные водоросли, многие из которых имеют гигантские клетки междоузлий, позволяющие свободно вводить в их вакуоль микроэлектроды (нителла, хара, валония и др.). Микроэлектродная техника сделала эти исследования доступными и на крупных клетках высших растений.

Многочисленные опыты, проведенные в этом направлении, показали, что мембрана растительных клеток, подобно мембране животной клетки, поляризована, причем поляризация обусловлена различной проницаемостью мембраны к ионам калия и натрия. Так же, как и мембрана животных клеток, она на своей внутренней поверхности заряжена негативно, в то время как на наружной поверхности — позитивно. Величина мембранного потенциала растительных клеток зависит от большого числа условий, определяющих уровень обменных процессов. Одним из факторов, значительно изменяющих мембранный потенциал растительной клетки, является уровень ростовых гормонов, главным образом гетероауксина (индолилуксусной кислоты).

В ответ на действие самых различных раздражителей (как адекватных, так и неадекватных) происходит деполяризация мембраны и возникновение однофазной или двухфазной (в зависимости от способа отведения) распространяющейся волны возбуждения, т. е. своеобразного электрического импульса. Однако скорость развития потенциала действия и его распространения по растительной клетке несравнима со скоростью распространения волны возбуждения в нервных волокнах и измеряется обычно несколькими сантиметрами в минуту.

В связи с тем, что растительные клетки окружены плотной целлюлозно-пектиновой оболочкой, передача возбуждений с клетки на клетку осуществляется через плазмодесмы, которые обеспечивают и перемещение органических и минеральных веществ.

Несмотря на то что электрические потенциалы у растений изучены менее полно, чем потенциалы клеток и тканей животных, исследования мембранных потенциалов изолированных клеток растений, а также возникновение потенциалов действия при их раздражении свидетельствуют о том, что природа электрогенеза у растений по всей вероятности та же, что и в клетках животного организма. Так, было показано, что если повысить концентрацию ионов калия в среде, куда помещена клетка нителлы, ее ток покоя уменьшится или даже изменит свое направление, т. е. поврежденный участок может приобрести положительный потенциал по отношению к неповрежденному.

Так же, как и в животных клетках, генерация электрических потенциалов в растительных клетках возможна лишь при наличии определенных источников энергии, т. е. непременно связана с обменными процессами. Ток покоя в клетках водорослей, в частности, резко уменьшается в темноте и восстанавливается при освещении. Инъекция аденозинтрифосфорной кислоты в клетку нителлы, выдерживавшейся в темноте, приводит к повышению потенциала покоя.

Микроэлектродная техника

На отдельных органах растения (листьях, стеблях, корнях) можно легко зарегистрировать и потенциалы повреждения (демаркационные или альтерационные потенциалы). Как и при регистрации потенциалов повреждения в животных тканях, альтерированный участок растения приобретает отрицательный потенциал по отношению к покоящемуся, причем разность потенциалов может варьировать от 20 до 100 и более милливольт.

Демаркационные потенциалы в зависимости от характера повреждения, а также условий, в которых производится их регистрация (в частности, температура), уменьшаются с разной скоростью, но, как правило, быстрее, чем потенциалы мышечной и нервной ткани. Полагают, что это явление обусловлено более быстрым отмиранием растительных клеток, имеющих малые размеры.

Потенциал повреждения у растений имеет локальный характер, т. е. не порождает распространяющегося потенциала действия, однако петли его тока могут регистрироваться на довольно большом расстоянии от места повреждения, постепенно уменьшаясь по мере удаления от этого места (рис. 31). Таким образом, и потенциалы повреждения в растениях имеют, по-видимому, ту же природу, что и потенциалы повреждения животных тканей.

Д. Л. Рубинштейн, предложив в свое время классификацию биоэлектрических потенциалов, выделил особую группу потенциалов, которую назвал метаболическими. Под метаболическими потенциалами Д. Л. Рубинштейн понимал ту разность потенциалов, которая возникает между участками ткани или органа, резко различающимися уровнем обменных процессов. Таковы, например, разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями кожи лягушки, омываемой с обеих сторон одинаковым рингеровским раствором, между наружной и внутренней поверхностями кишечной стенки и т. п. По-видимому, именно к такому типу метаболических потенциалов следует отнести разность потенциалов, регистрируемых между двумя точками стебля или корня растения. Эта разность потенциалов может достигать 50—100 мВ и часто легко объясняется различием интенсивности тех или иных биохимических процессов в разных частях растения. Особенно наглядно подобная закономерность выявляется при изучении электрических потенциалов в листьях растения в процессе фотосинтеза. Так, если на одну часть листа действовать светом, а вторую часть затенить, то от электродов, приложенных к этим участкам, будет отведена разность потенциалов от 50 до 100 мВ. Полное затенение листа снижает эту разность потенциалов до исходного (почти нулевого) уровня.

Новое освещение листа в области расположения одного из электродов вновь вызывает появление разности потенциалов (рис. 32). В. Л. Успенская (1951) показала, что величина разности потенциалов в такой же степени зависит от интенсивности освещения, в какой зависит от нее интенсивность процесса фотосинтеза.

Метаболические потенциалы могут быть также связаны с передвижением воды, солей и органических веществ по растению, с уровнем газообмена в листьях и другими физиологическими процессами, протекающими в растениях.

Наконец, в растениях и их органах можно зарегистрировать и потенциалы в ответ на разнообразные кратковременные раздражения. В большинстве случаев возникающие при этом потенциалы сходны с нераспространяющимися (местными) потенциалами возбуждения в нервных и мышечных волокнах, которые возникают при действии подпороговых стимулов и величина которых в отличие от распространяющихся потенциалов возбуждения зависит от силы приложенного раздражения. Как правило, участок стебля растения, подвергнутый раздражению, приобретает местный отрицательный потенциал по отношению к покоящимся участкам. Эта негативность нарастает довольно быстро (в течение 3—5 с), но исчезает значительно медленнее (в течение нескольких минут). На рис. 33 представлена схема опыта регистрации подобного потенциала возбуждения в ответ на изгиб стебля растения. Как видно из кривых, отражающих динамику развития потенциала возбуждения, его величина и характер протекания зависят от крутизны нарастания интенсивности раздражения.

Аналогичные потенциалы возбуждения получены при воздействии на органы растений электрических или химических раздражителей.

У растений, характеризующихся способностью производить относительно быстрые движения (насекомоядные, стыдливая мимоза и др.) могут быть зарегистрированы потенциалы возбуждения, в еще большей степени напоминающие потенциалы возбуждения мышечных и нервных волокон. Так, если один электрод (референтный) разместить на стебле стыдливой мимозы, а другой (активный) на черешке листа или в основании черешков второго порядка (рис. 34), то при нанесении раздражения на лист мимозы (на рисунке указано стрелкой) можно зарегистрировать медленно развивающиеся двухфазные или однофазные потенциалы возбуждения, распространяющиеся со скоростью 1—2 см/с. При расположении референтного электрода на стебле (монополярное отведение) восстановление исходной полярности происходит в течение многих минут, причем в это время и листья мимозы остаются свернутыми. Таким образом сохраняющийся отрицательный потенциал отражает стадию рефрактерности мимозы.

Исключительно интересные опыты И. И. Гунара и А. С. Синюхина (1963) свидетельствуют о том, что у высших растений могут быть зарегистрированы и такие потенциалы возбуждения, которые в еще большей степени напоминают распространяющиеся потенциалы мышечных и нервных волокон. Авторы установили, что если разместить электроды на стебле тыквы или фасоли (биполярное отведение), то можно зарегистрировать типичные двухфазные колебания токов действия, распространяющиеся в обе стороны от места раздражения со скоростью 40—80 см/мин. Если эти токи действия достигали листьев, то они вызывали в них длительные (до 10— 15 мин) изменения метаболических потенциалов, латентный период и величина которых зависели от характера примененного раздражителя, условий освещенности, газовой среды и других условий, в которых находились листья.

Эти данные в какой-то степени позволяют высказать определенное предположение о той роли, которую играют электрические потенциалы в растениях. Весьма вероятно, что как и в животном организме электрические потенциалы в растениях являются не просто «побочным продуктом» протекающих биохимических и физико-химических процессов, но и осуществляют функциональную связь между различными частями растения и даже могут выполнять роль регулятора метаболических процессов.

Электрические потенциалы растений, по-видимому, теснейшим образом связаны и с ростовыми процессами. Н. Г. Холодный и Ф. Вент считают, что в основе большинства форм движения растений, которые называют тропизмами и настиями, лежит неравномерность роста отдельных участков ткани растений, находящихся в разных условиях освещенности или в разном положении по отношению к силе тяжести. Неравномерность роста обусловлена неодинаковым содержанием в этих участках гетероауксина. В свою очередь распределение гетероауксина, по мнению этих авторов, зависит от характера поляризации соответствующих частей растения. Таким образом, согласно этой точке зрения, возникающие электрические потенциалы могут, в конечном счете, являться своего рода пусковым стимулом для развития данных форм движения растений. Весьма возможно, что они являются пусковым стимулом и для таких движений растений, которые обусловлены изменениями тургора клеток (клетки стыдливой мимозы, тычиночные нити барбариса и т. п.).

В последние годы исследование биоэлектрических потенциалов у растений и набухающих семян приобретает большое практическое значение. Широко обсуждается возможность использования данных о характере метаболических потенциалов для определения пораженности растений грибными и вирусными заболеваниями, для оценки морозо- и жароустойчивости растений, их жизнеспособности и урожайности.

spravr.ru

Методичка. Воробьев

КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт фундаментальной медицины и биологии Кафедра физиологии и биохимии растений

ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИМИИ РАСТЕНИЙ

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ

(внеклеточное отведение)

Учебно-методическоепособие

КАЗАНЬ2013

УДК 581.1

Печатается по решению Редакционно-издательскогосовета ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

учебно-методическойкомиссии Института фундаментальной медицины и биологии

Протокол № 1 от 21 марта 2013 г.

заседания кафедры физиологии и биохимии растений Протокол №2 от 21 марта 2013 г.

Составитель: канд. биол. наук, доцент В.Н. Воробьев

Рецензент

д.б.н, проф., зав. каф. биоэкологии И.И. Рахимов

Практикум по физиологии и биохимии растений. Электрофизиология высших растений (внеклеточное отведение): Учебно-методическоепособие /В.Н. Воробьев.- Казань: Казанский университет, 2013 – 32 с.

Настоящее учебно-методическоепособие является частью содержания практикума по физиологии и биохимии растений, проводимого на кафедре физиологии и биохимии растений. В пособии рассмотрены основные виды биоэлектрической активности клеток высших растений. Изложены методы внеклеточного отведения для регистрации биоэлектрических реакций, таких как тканевой потенциал, потенциал действия и его распространение, вариабельный потенциал и светозависимая биоэлектрическая активность.

Пособие предназначено для студентов, бакалавров, магистров и аспирантов, изучающих биоэлектрическую активность высших растений.

©Казанский университет, 2013 ©Воробьев В.Н., 2013

2

ВВЕДЕНИЕ.

К числу наиболее удивительных свойств живых клеток, несомненно, следует отнести их способность генерировать биоэлектрические потенциалы. Обнаруженное в середине прошлого столетия биоэлектричество привлекло к себе внимание исследователей самых разных направлений физиков, физикохимиков, биологов. Изучение биоэлектрических явлений приобрело многоплановый характер. Одним из существенных направлений, получивших развитие, явилось изучение биоэлектрогенеза – непосредственных причин, лежащих в основе генерации биоэлектрических потенциалов. Очевидно, что без знания механизмов возникновения электрических потенциалов в клетке невозможно в полной мере оценить их роль в различных функциях клеток, тканей и организма в целом.

Если механизм биоэлектрогенеза у животных к настоящему времени изучен достаточно полно, то в отношении растений этого нельзя сказать. Большая часть исследований в электрофизиологии растений выполнена на гигантских клетках харовых водорослей. Хотя водоросли могут рассматриваться как обобщенная модель растительной клетки, им, несомненно, присущи и специфические особенности, отличающие их от высших растений. Поэтому анализ природы и закономерностей биоэлектрических потенциалов у растений представляется весьма актуальным.

К сожалению, при работе с высшими растениями многие методические подходы, обеспечивающие успех в решении многих вопросов биоэлектрогенеза у животных (микроэлектродная техника, метод фиксации напряжения, пэтч-клямпметод и др.), часто оказываются трудно применимымииз-засложной структуры отдельных органов растений. Вместе с тем результаты исследований все более убеждают в том, что процесс генерации биопотенциалов, как у животных, так и у растений не только сопровождает те или иные жизненно важные процессы, но играет нередко ключевую роль в их протекании.

По крайней мере, три аспекта представляются наиболее важными в этом отношении.

3

Во-первых,роль биоэлектрических потенциалов в протекании энергетических превращений. Стало очевидным, что разности биоэлектрических потенциалов на мембранных структурах животных и растительных клеток являются наряду с АТФ обобщенной формой конвертируемой энергии. Речь идет о биоэлектрических потенциалах внутриклеточных мембранных систем и плазмалеммы. Здесь энергия электрического поля, напряженность которого весьма высока, используется при совершении осмотической, механической и других видов работ. Поэтому нередко для характеристики степени энергизованности клетки используют величину ее мембранного потенциала.

Во-вторых,роль биоэлектрических потенциалов в регуляции клеточных процессов. Так, хорошо известно, что величина электрического поля на мембране регулирует состояние ряда ионных каналов и активность некоторых ферментов. Под контролем разности мембранных потенциалов находятся сами системы, ответственные за биоэлектрогенез растительных клеток (напримерК+-АТФаза,Н+-АТФаза)(Опритов, 2000).

В-третьих,сигнальная роль биоэлектрических потенциалов, которая в наиболее совершенной форме представлена в нервах животных, имеет место также и у других живых объектов, в том числе у высших растений. Появляется все больше фактов, которые подтверждают идеи, выдвинутые в начале ХХ в. Выдающимся индийским ученым Боссом, о том, что в ответ на внешнее воздействие у растений могут генерироваться биоэлектрические импульсы, по природе во многом сходные с потенциалами действия нервных волокон. Изучение этих импульсов у растений представляется особенно важным в связи ссравнительно-эволюционнойоценкой процесса распространяющегося возбуждения и выяснением природы быстрых функциональных связей между отдельными органами растительного организма.

Генерация биоэлектрических потенциалов у высших растений обладает не только чертами сходства с таковой у животных, но характеризуется и рядом специфических особенностей (Опритов и др., 1996б).

В настоящем пособии студентам предлагается опытным путем подтвердить наличие электрического мембранного потенциала, различных биоэлектрических реакций в ответ на внешнее воздействие у высших растений. Основная часть пособия посвящена экстраклеточному отведению

4

биопотенциалов, так как данный метод не трабует специальной подготовки и относительно прост в исполнении.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ ПОКОЯ КЛЕТОК ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ.

Биоэлектрическая активность клеток высших растений в покое может быть измерена, как у животных объектов, различными методами. Это, прежде всего внутриклеточное и внеклеточное отведение биоэлектрической активности. Мембранный потенциал покоя (E’m ) - это разность потенциалов между внешней и внутренней сторонами мембраны.

Внутриклеточное измерение. ИзмерениеE’m клеток высших растений посредством микроэлектродной техники, несмотря на большой прогресс, достигнутый в ее совершенствовании, до сих пор представляет собой весьма непростую задачу. Дело в том, что клетки высших растений наряду с жесткой клеточной стенкой и высоким тургорным давлением, характерным и для клеток харовых водорослей, имеют, в отличие от последних, очень небольшие размеры. В этой связи удачное введение микроэлектрода в клетку высшего растения, позволяющее осуществить достаточно длительный эксперимент (в течение часа и более), требует от исследователя значительного навыка работы с такими клетками.

Микроэлектроды, используемые для измерения E’m клеток высших растений изготавливают обычно из стекла «Пирекс». Диаметр кончика электрода, с учетом малых размеров клеток, не должен превышать 1 мкм. Микроэлектроды с большим диаметром при введении, как правило, сильно повреждают клетки высших растений.

Введение микроэлектродов осуществляют с помощью микроманипулятора под углом 30-600 к плоскости объекта (речь чаще всего о поверхности среза) и при визуальном контроле через микроскоп с большим увеличением (200 и более). Горизонтальное и вертикальное введение микроэлектрода в растительную ткань осуществляется в «слепую» и используется гораздо реже. Число повторных введений одного и того же микроэлектрода, учитывая большую вероятность притупления или слома его

5

кончика о жесткую клеточную стенку, должно быть минимальным. Для предотвращения попадания содержимого обладающих тургором клеток в канал введенного микроэлектрода последний заполняют гелем. С этой целью электролит (например KCl 3M), предназначенный для заполнения электрода, может быть приготовлен на 2% агаре.

Измерение мембранного потенциала клеток высших растений производят по отношению к водной среде окружающей клетки в экспериментальной кювете. В это связи некоторые авторы, работающие с наземными высшими растениями, отмечают, что водная среда не является естественным условием обитания, например, для клеток поверхностных тканей листьев и стремятся использовать методические приемы, позволяющие свести к минимуму число контактирующих клеток с внешней водной средой. Однако, измеряемые при этом потенциалы покоя и их регистрация в ответ на действие различных химических агентов, судя по всему, ничем не отличается от таковых в экспериментах с традиционной методикой (Опритов и др., 1991).

Регистрацию измеряемых мембранных потенциалов клеток высших растений осуществляют обычно на специальной регистрирующей аппаратуре с высоким входным сопротивлением, которое превышает сопротивление микроэлектрода более чем в 100 раз. Величина измеряемых мембранных потенциалов в большой мере зависит от степени шунтирования микроэлектродом таких клеточных мембран как плазмалемма и тонопласт.

Следует отметить, что помимо мембранного потенциала с помощью микроэлектродной техники могут быть также исследованы такие электрические характеристики мембран клеток высших растений, как омическое сопротивление, вольт-ампернаяхарактеристика и другие. Методомпетч-клямп,получившим большое распространение в последнее время, в опытах на изолированных протопластах и вакуолях клеток высших растений при использовании микроэлектродов в качестве микроприсосок осуществляется анализ проводимости одиночных ионных каналов.

Внеклеточное измерение. Принцип внеклеточной регистрации биоэлектрической активности клеток высшего растения в покое основан на симпластической природе электрической полярности данного объекта. При этом разность потенциалов U1,2 между двумя точками поверхности, например, стебля растения, может быть описана уравнением

6

(1)

где r1 – сопротивление внешней среды; r2- сопротивление симпласта; Em1 и Em2

– мембранные потенциалы симпласта в точках 1 и 2; Δφ – вклад апопласта в электрическую полярность объекта (обычно не существенен). Из уравнения 1 следует, что измеряемая внеклеточная разность потенциалов позволяет в той или иной степени судить лишь об изменениях мембранного потенциала клеток высшего растения в зоне отведения (например под влиянием какоголибо воздействия), но не о стационарных уровнях мембранного потенциала.

Типичным примером внеклеточно-регистрируемойразности потенциалов может служить так называемый биоэлектрический тканевой потенциал. Он возникает между апикальным и базальным концами отрезка стебля или корня высшего растения при воздействии на один из них (обычно апикальный)каким-либофактором. При этом показательно, что исходно разность потенциалов между концами такого отрезка отсутствует или не превышает

±10 мВ.

Внеклеточное отведение разности потенциалов в покое может осуществляться как от одного высшего растения, так и одновременно от целой группы растений (при одном канале измерения). В последнем случае регистратор запишет усредненное значение разности потенциала всей использованной совокупности растений, что весьма существенно для получения статистически значимого результата, особенно при экспрессанализе (Орлов и др., 2009).

Для внеклеточного отведения чаще всего применяют неполяризующиеся микроэлектроды (каломельные и хлорсеребрянные). Могут использоваться, в часности, вспомогательные электроды, предназначенные для рН-метрическихизмерений. На такие электроды, заполненные насыщенным раствором KCl, надевают переходные насадки со смоченными слабым ионным раствором (водопроводная вода, 0.1% KCl, искусственная прудовая вода и т.д.) фитильками из ваты, марли, шерсти или асбеста. Они служат для обеспечения «мягкого» контакта с поверхностью растения, смачивания зоны контакта и

7

предотвращения неблагоприятного воздействия на клетки растения, вытекающего из электродов электролита.

Определение разности биоэлектрического тканевого потенциала методом внеклеточного отведения между корнем и гипокотелем.

Способность к генерации электрических потенциалов (биоэлектрогенез) является универсальным свойством живых систем (Опритов и др., 1991). У растений биоэлектрогенез тесно связан с транспортом ионов через плазматическую мембрану, фотосинтезом (Булычев, 1989), дыханием (Bulychev, Vredenberg, 1995) и многими другими процессами, протекающими в растительном объекте. Зависимость растительного биоэлектрогенеза от метаболизма открывает возможность применения показателей процессов электрогенеза для оценки состояния растения, в том числе – его устойчивости

кдействию неблагоприятных факторов.

Влитературе имеются работы, обосновывающие использование потенциалов покоя (а также обусловленных ими показателей, включая разность потенциалов (РП) между участками растения) и потенциалов возбуждения для оценки устойчивости растительных объектов к действию стресс-факторов(Stahlberg, 2006). Однако относительно слабо изученной остается возможность применения РП в качестве показателя устойчивости растений к действию тех или иныхстресс-факторовпри исследовании влияния на такую устойчивость различных модулирующих условий.

Разность потенциалов между корнем и побегом может быть использована в качестве показателя солеустойчивости проростков пшеницы. Можно предположить, что связующим звеном между изменениями РП и солеустойчивостью (которая, вероятно, отражает возрастание неспецифической устойчивости растения) служит величина энергизации клетки. В пользу этого предположения свидетельствует, с одной стороны, сильная зависимость потенциала покоя растений от метаболизма, в частности от энергизации (Allakhverdiev et all., 2005), благодаря чему метаболические процессы могут оказывать значительное влияние и на РП, а с другой – показанное в ряде работ положительное влияние возрастания содержания

8

Для определения разности потенциалов прибор рН-метр-иономерЭксперт 001 переводят в рабочее положение. Выбрав режим измерения потенциалов – нажать «измерение» на экране появятся данные характеризующие разность потенциалов между электродами.

Результат измерения фиксируют. После установления стабильного показателя (mV) в емкость с корнями добавляют 10 мл 1 М раствор NaCL и с

9

интервалом в 5 минут фиксируют показания разности потенциалов (РП). По результатам исследования строят график зависимости РП от времени нахождения корней в растворе хлорида натрия.

Определение биоэлектрического тканевого потенциала методом внеклеточного отведения.

Цель: Определить разность электрических потенциалов (ΔU) между апикальным и базальным концами стебля проростка гороха при различных расстояниях между электродами.

Оборудование: рН-метр-иономерЭксперт 001, хлорсеребряные электроды, ватный тампон, проростки гороха, штатив и зажимы для закрепления объектов исследования, скотч для фиксации электрода.

Ход работы.

С помощью предварительно нарезанных полосок скотча, через ватный тампон, смоченный водопроводной водой, проросток гороха закрепляют на электродах (см. рис. 2). В первом варианте на расстоянии 1 см, во втором – 2 см, в третьем – 3 см, в четвертом – 4 см. Результаты измерений заносят в табл.1, сравнивают и на их основании делают вывод о зависимости ΔU от расстояния между электродами.

Рис. 2. Схема закрепления электродов на стебле.

10

studfiles.net

Электрофизиология | Справочник врача

ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИИ

Электрофизиология — наиболее быстро развивающаяся область физиологии, изучающая электрические явления в живом организме и действие электрического тока на организм. Ни один раздел физиологии не может в настоящее время разрабатываться без применения электрофизиологических методов исследования. Эти методы глубоко проникли и в клиническую практику, являясь часто основными при оценке функционального состояния различных органов и тканей в процессе диагностики и лечения заболеваний. Успехи электрофизиологии в значительной степени способствовали осуществлению полета человека в космическое пространство. Данные электрофизиологии широко используются в кибернетике, бионике и других отраслях современной науки.

В учебном пособии по электрофизиологии А. Б. Когана (1969) дано ее подробное определение, согласно которому электрофизиология «изучает электрические проявления жизнедеятельности клеток, тканей и органов для выяснения их природы и возможного физиологического значения, а также использования как тонких и точных показателей функционирования». А. Б. Коган выделяет три области связи физиологии с учением об электричестве:

• 1) изучение электрических потенциалов, возникающих в живых тканях;
• 2) действие электричества на жизненные процессы и
• 3) физические свойства живых тканей как проводников электричества. В настоящее время ведущее место в электрофизиологии занимает изучение электрических потенциалов, возникающих в живых тканях.

Самые первые исследования в области электрофизиологии относятся к XVIII веку. Физики, занимавшиеся изучением электрических зарядов, неоднократно сталкивались с фактом их раздражающего действия на организм. Раздражение это вызывало своеобразное субъективное ощущение и некоторые объективные изменения, например сокращение мышц, их судорожное подергивание. Эти факты привлекли внимание врачей, физиологов. Последние стали применять электрические заряды для раздражения нервов и мышц в опытах; появились высказывания о том, что раздражающее действие электричества может иметь лечебное значение.

Во второй половине XVIII столетия увлечение электричеством и его лечебным действием приобрело чрезвычайно широкий размах. Публикуются бесчисленные статьи, книги, монографии о действии электричества на живой организм. Поток сообщений о целебном действии электричества был настолько огромен и разобраться в нем было настолько трудно, что королевским указом во Франции была даже создана специальная комиссия из ученых для того, чтобы отделить в этом потоке сведений истину от заблуждений. К этому надо прибавить сообщения Грея в 1731 г. (Англия) и Нолле в 1746 г. (Франция) о том, что они с помощью электроскопа обнаружили электрические заряды у растений, животных и даже человека, а в 1773 г. Уэлш доказал, что особое действие некоторых рыб, которых называют сейчас электрическими, тождественно разряду лейденской банки, и этот разряд может быть передан по проводникам. Данные Грея, Нолле, Уэлша наводили на мысль о том, что и сам организм, возможно, является источником электричества, что проявление жизненных процессов теснейшим образом связано с электричеством. Таким образом идея «животного электричества» «носилась в воздухе». Начало развития электрофизиологии обычно связывают со знаменитыми опытами итальянского врача, анатома и физиолога Луиджи Гальвани, и это, конечно, справедливо, потому что то, что «носилось в воздухе», Гальвани впервые не только высказал вслух, но и отстаивал всю свою жизнь. Во многих учебниках неправильно указывается, что Гальвани сделал свои открытия совершенно случайно. Открытие Гальвани было подготовлено всем ходом развития науки того времени, и случайного в его опытах очень немного.

Л. Гальвани (1737—1798) — талантливый ученый своего времени; окончил Болонский университет. Гальвани 22 лет стал профессором и читал в Болонском университете лекции по анатомии, гинекологии и акушерству, а также проводил исследования по сравнительной анатомии. С 1771 г., подобно многим вранам и физиологам, увлекся изучением действия электрических зарядов на организм. История его первых открытий описывается по-разному. Но сущность их состояла в следующем. Однажды, когда на столе были подготовлены задние лапки лягушки (их называют сейчас препаратами Гальвани) и ассистент вращал электрофорную машину, Гальвани заметил, что прикосновение скальпеля к одному из этих препаратов вызывало судорожное сокращение мышц. По существу, это было первое наблюдение действия на животную ткань электрического поля (или, как говорили потом, — действия «электричества на расстоянии»). Подробное исследование этого явления было проведено через 100 с лишним лет нашим замечательным русским физиологом В. Я. Данилевским.

Гальвани решил проверить, будет ли аналогичным действием обладать атмосферное электричество? С этой целью такие гальванические препараты были подсоединены к громоотводу, и эффект оказался таким, какого и следовало ожидать. Тогда Гальвани предположил, что разряды атмосферного электричества будут раздражать лапки и без подключения их к громоотводу. Для того чтобы проверить это предположение, Гальвани несколько препаратов подвешивал на медных крючках к железному балкону своего дома. К его удивлению, в совершенно негрозовую погоду, как только ветер раскачивал лапки и они касались ограды балкона, мышцы энергично сокращались. Как объяснить этот факт? Надо хорошо представить себе, что знала наука в то время об электричестве, чтобы убедиться в единственно возможном, с точки зрения Гальвани, объяснении. В то время было известно, что металлы не могут быть источником электричества: металлы считались лишь проводниками электричества. Грозы не было, следовательно, не было и атмосферного электричества. С другой стороны, были известны электтрические рыбы, которые способны вырабатывать электрический заряд большой мощности. Поэтому Гальвани сделал единственно возможный вывод: в мышцах лягушки имеется свой электрический заряд как в наэлектризованном сургуче или янтаре. Как только мышца касается железной ограды, этот заряд проводится — происходит разряд заряженного тела и этот разряд возбуждает живую ткань. Гальвани повторяет опыты в лаборатории. Он подвешивает лапки лягушки за крючки, сделанные из разных металлов, и прикладывает к ним другие металлы. Были использованы и железо, и медь, и серебро, и цинк, и свинец. Но наиболее хорошо опыт удавался тогда, когда в качестве металлов были взяты медь и цинк. Достаточно сделать пинцет с браншами из этих металлов, чтобы опыт удавался блестяще. Этот опыт вошел в историю науки как первый опыт Гальвани (его иногда называют «балконным» опытом). Он был проведен в 1786 г., а в 1791 г. Гальвани опубликовал свой труд «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Доказательство Гальвани существования «животного электричества» оказалось уязвимым. Уже очень скоро с опровержением объяснений опыта Гальвани выступил Алессандро Вольта (1745—1827) —итальянский физик и физиолог, профессор физики в Павии. Вольта сделал много важных открытий в физике и физиологии. В частности, он изобрел так называемый смоляной электрофор — прообраз электрофорной машины, построил чувствительный электроскоп, занимался исследованием органов вкуса и зрения, работал в области нервно-мышечной физиологии и т. п. Повторив опыты Гальвани, он вначале полностью согласился с их трактовкой. Но затем собственные исследования в 1792—1794 гг. привели его к убеждению, что наблюдаемые Гальвани явления связаны с наличием цепи из двух разнородных металлов и жидкости. Начался исторический спор Гальвани и Вольта, который оказал огромное влияние на последующее развитие науки.

Вольта создал первый генератор электрического тока, который получил название вольтова столба или гальванического элемента. Он первый, по существу, ввел понятие об электрическом токе и ввел единицу электродвижущей силы, которая называется его именем (вольт). Можно смело сказать, что именно с Вольта начинается быстрое развитие электротехники, а затем и радиотехники, электроники и т. п.

Гальвани же после долгих поисков нашел способ демонстрации наличия «животного электричества» без металлов. В 1794 г. он осуществил свой замечательный второй опыт, заключавшийся в получении сокращения мышцы при набрасывании на нее нерва с помощью стеклянного крючка. От второго опыта Гальвани ведет свое начало электрофизиология, которая в настоящее время приобрела такое значение в физиологии, какое может быть поставлено в сравнение со значением учения об электричестве в современной физике. Однако когда мы говорим о молодости электрофизиологии, то имеем в виду молодость ее как такой науки, которая приобрела действительно огромное практическое значение.

Новые исследования в электрофизиологии связаны с именем Матеуччи, который в 1838—1840 гг. показал, что в мышце всегда может быть отмечен электрический ток, который течет от ее неповрежденной поверхности к поперечному разрезу (рис. 1). Второй опыт Гальвани он объяснял выходом отрицательного заряда по нерву как проводнику из глубины мышцы. Матеуччи же принадлежит интересный опыт, который вошел в науку под названием «опыта с вторичным сокращением». Этим опытом Матеуччи впервые убедительно показал, что электрический ток. возникающий при возбуждении тканей, способен раздражать другую возбудимую ткань. Опыт убеждал в том, что раздражителем живых тканей является «животное электричество», возникающее в момент возбуждения. Но если вызвать возбуждение (сокращение) мышцы, то ток, регистрируемый от ее продольной и поперечной поверхности, уменьшается. Эти два факта как будто находились в противоречии, и Матеуччи не сумел найти выхода из этого противоречия.

С 1841 г. в области электрофизиологии начал исследования знаменитый немецкий физиолог Дюбуа Реймон. Это был крупнейший авторитет в области нервно-мышечной физиологии, создатель многих приборов и методов исследования. Он, как и другие физиологи, начал свою работу в области электрофизиологии с проверки опытов Гальвани, а затем повторил опыты Матеуччи. Дюбуа Реймон также убедился в том, что поперечный разрез является отрицательно заряженным по отношению к продольной поверхности, но он пошел дальше. Он начал разрезать мышцу на кусочки, и оказалось, что во всех случаях продольная поверхность несет положительный, а поперечная отрицательный заряд. Дюбуа Реймон ввел в электрофизиологию термины, которыми пользуются до сих пор. В частности, ток, регистрируемый от продольной и поперечной поверхностей мышцы, он назвал током покоя. Дюбуа Реймон показал, что при всяком раздражении мышцы этот ток уменьшается. Уменьшение тока покоя при возбуждении он назвал отрицательным колебанием тока покоя или током действия. Надо было дать какое-то объяснение наблюдавшимся фактам, и Дюбуа Реймон создает в 1848 г. свою знаменитую электромолекулярную теорию. Он предположил, что мышца и нерв построены из отдельных продольных «молекул», которые представляют своего рода диполи, определенным образом ориентированные вдоль нервного волокна: к продольной поверхности при этом всегда обращен положительный полюс диполя, а к поперечной — отрицательный. При всяком раздражении по Дюбуа Реймону происходит поворот этих «молекул» на 90°, и тем самым ток покоя, естественно, будет уменьшаться. А. А. Ухтомский называет эту теорию поворота ахиллесовой пятой всей научной концепции Дюбуа Реймона. Если само существование «электромолекул» выглядело гипотетически, то представление о повороте их при раздражении было вовсе фантастичным. Тем не менее вследствие чрезвычайно высокого авторитета Дюбуа Реймона его теория просуществовала довольно долго.

Решительное изменение представлений произошло после капитальных работ Людимира Германа — ученика Дюбуа Реймона. Герман, повторяя второй опыт Гальвани, обратил внимание на то, что этот опыт не всегда хорошо удается, причем лучше он удавался тогда, когда приготовление препарата производилось менее тщательно или даже в тех случаях, когда мышце наносилось (умышленно) повреждение. Анализируя этот факт, Герман (1867) в отличие от Дюбуа Реймона и от представлений Гальвани стал считать, что электрический заряд не предсуществует в мышце, а возникает в ней лишь в определенных условиях, именно в условиях повреждения, причем поврежденная поверхность всегда оказывается заряженной отрицательно по отношению к неповрежденной. Отсюда и так называемый ток по,коя следует называть альтерационным током, т. е. током повреждения, или демаркационным, т. е. возникающим на границе между здоровым и поврежденным участками.

По Герману, возбуждение, чем бы оно ни создавалось, тоже является повреждением, только имеющим обратимый характер и к тому же перемещающимся по ткани. Если это так, то легко объяснить и отрицательное колебание тока покоя или ток действия: если возбужденный участок становится электроотрицательным по отношению к покоящемуся, то распространение этой электроотрицательности неизбежно должно привести к уменьшению «тока покоя» (рис. 2). Герман связывал возникновение электрических потенциалов в живых тканях с химическими процессами, которые в них протекают, и считал, что возникающий при возбуждении ток, раздражая соседние участки, является причиной распространения возбуждения: это последнее положение сейчас лежит в основе всех наших представлений о проведении возбуждения.

Герман же предсказал, какую форму будет иметь волна возбуждения, распространяющаяся по мышце или нерву. Представим себе, что один из отводящих электродов расположен на поврежденном, другой на неповрежденном участках (рис. 3). Как только цепь будет замкнута, стрелка гальванометра в течение какого-то времени t отклонится до определенного положения (рис. 3, 1). Однако, как только возбуждение достигнет расположения первого электрода А, разность потенциалов должна исчезнуть, так как под обоими электродами окажутся участки, заряженные электроотрицательно (рис. 3, 2), стрелка гальванометра покажет нуль, т. е. произойдет «отрицательное колебание» тока покоя. При прохождении волны возбуждения за пределы электрода А в этой области вновь восстановится положительный заряд, и стрелка гальванометра вновь отклонится на какой-то угол (рис. 3, 3). Можно было бы предположить, что при подходе всякого возбуждения в точку Б угол отклонения стрелки гальванометра увеличится. Однако обычно этого не наблюдается, так как в области поперечного разреза (повреждения) мышца не может приходить в состояние возбуждения. Регистрируемый при этом ток Герман назвал однофазным током действия, т. е. имеющим одно направление. При накладывании обоих отводящих электродов на неповрежденные участки нерва или мышцы мы, естественно, должны получить двухфазный ток действия, т. е. ток меняющегося направления, потому что сначала под первым, а затем под вторым электродом будет участок, заряженный электроотрицательно по отношению к другому электроду (рис. 3, 4—8).

Сейчас с помощью современной электрофизиологической аппаратуры легко получают те однофазные и двухфазные кривые тока действия, о которых говорил Герман, но в то время это была чистейшая теория. Тем удивительнее для нас кажется метод, который был предложен в 1871 г. для определения длительности волны возбуждения,— метод дифференциального реотома Бернштейна.

А. А. Ухтомский пишет, что, по рассказам, идея дифференциального реотома была подсказана Бернштейну Г. Гельмгольцем. Прибор представлял собой диск, вращавшийся со строго постоянной скоростью, на диске были расположены две линейки — OA и ОБ. Эти линейки были размещены так, что если угол между ними был равен 180°, то контакты К1 и К2 замыкались одновременно (рис. 4). При этом включалась цепь индукционной катушки Е и гальванометра Г. Если же линейка ОБ отклонялась от OA на какой-то угол а, то при вращении диска вначале замыкался контакт К1 , а через некоторое время, необходимое для поворота диска на угол α, контакт K2. Если этот угол был очень мал, то возбуждение, возникшее в точке раздражения М, не успевало добегать до точки отведения N, и стрелка гальванометра оставалась в исходном положении. Но если этот угол увеличивался, то к точке N успевала прибегать какая-то часть волны возбуждения (начальная или максимальная, или «хвост»). Поскольку расстояние между точками М и N было точно измерено, а скорость вращения диска хорошо известна, то прежде всего оказывалось легко определить скорость распространения возбуждения. Допустим, что расстояние между точками М и N равно 5 см, угол а, при котором появляется отклонение стрелки гальванометра, равен 30°, а скорость вращения диска такова, что он делает оборот в течение 0,025 с. Следовательно, на 30° он повернется в течение 0,002 с, но это значит, что за 0,002 с возбуждение прошло 5 см. Сколько же оно проходит за 1 с? Легко подсчитать, что в данном примере скорость распространения нервного возбуждения будет составлять 25 м/с. Фактические значения скорости распространения возбуждения, найденные с помощью дифференциального реотома, оказались такими же, как и при определении их другими методами. Но значение дифференциального реотома было не только в этом. Бернштейн, пользуясь этим прибором, определил продолжительность волны возбуждения. Как это было сделано? Допустим, что при угле 30° стрелка гальванометра давала еле заметное отклонение. При угле а, равном 45°, это отклонение оказывалось максимальным, а при угле 60° вновь наименьшим. Как это понимать? Это значит, что при 30° волна возбуждения добегает до гальванометра своим началом, а при 60° «хвостом». Какова же длительность волны? Легко сообразить, что если диск поворачивается на 360° в течение 0,025 с, то на 30° он повернется в течение 0,002 с, а на 60° в течение 0,004 с. Следовательно, продолжительность волны возбуждения в нашем примере равна 0,002 с. У Бернштейна эти значения были немного завышенными. На мышце лягушки продолжительность отдельной волны возбуждения оказалась равной около 0,05 с, на нерве же около 0,005 с. Для того времени этот результат был довольно точным.

А. А. Ухтомский высоко оценивает метод дифференциального реотома. Он пишет: «Классический метод дифференциального реотома, несравненный по глубине замысла и остроумию, останется навсегда прекрасным памятником гельмгольцевой эпохи в физиологии... Приблизительно было то же самое, что наблюдалось в астрономии в эпоху вычислительных предсказаний Леверье, когда потом Адаме нашел воочию то. что было несомненно из общих предпосылок».

Итак, только к концу XIX столетия физиологи получили какое-то реальное представление об электрических явлениях в живых организмах. К этому времени стало известно, что электрические потенциалы возникают практически во всех живых тканях. Их обнаружили очень остроумным способом в сердце (Келликер и Мюллер, 1856), затем в коре больших полушарий (Кэтон и В. Я. Данилевский, 1875—1876),в продолговатом мозге (И. М. Сеченов, 1882), в почке, нервах, мышцах, сетчатке глаза и других тканях и органах. Начало намечаться и практическое применение электрофизиологических показателей как в исследовательской работе, так и в клинике. Но это произошло только в конце XIX столетия, а точнее уже в начале XX века.

Что представляет собой современная электрофизиология? Выше уже отмечалось, что любая живая ткань является источником электрических потенциалов, которые представляют собой отражение процессов обмена, постоянно протекающих в живой клетке (растительной или животной). В какой-то степени мы знаем природу этих электрических процессов, т. е. причину их возникновения, и, более того, их связь с физиологическими функциями. Однако последнее, т. е. соотношение электрических явлений с тонкими биохимическими и физиологическими процессами, не всегда до конца ясно. Известно, что во многих живых тканях регистрируются непрерывные спонтанные колебания электрических потенциалов. Как будто нет никаких внешних раздражений, как будто имеет место состояние полного покоя, а в коре головного мозга, например, все время меняется электрическая активность. То же в желудке, сердце, слизистой оболочке кишечника и т. п. Пожалуй, одна из самых трудных и самых важных задач электрофизиологии — выяснить причину этой ритмической активности клетки. Многое мы уже знаем в этом отношении, но, к сожалению, далеко не все. Особые трудности возникают при анализе электрических процессов, протекающих в центральной нервной системе. Они настолько сложны для понимания и глубокого анализа, что до сих пор этот вопрос — один из наиболее актуальных в электрофизиологии.

В настоящее время электрофизиология оснащена неизмеримо более высокой техникой, чем в годы ее становления. Можно сказать, что все самые новейшие достижения электроники взяты на вооружение электрофизиологии. Наши крупные электрофизиологические лаборатории оснащены прекрасными приборами и установками, которые позволяют проводить исследования широким фронтом. В этих исследованиях принимают участие не только физиологи, но и специалисты в области физики, химии, радиоэлектроники, математики.

Большое внимание, уделяемое в настоящее время электрофизиологическим методам исследования, связано с тем, что эти методы позволяют получить наиболее точные показатели состояния и деятельности тканей и органов. Развитие теоретической электрофизиологии все время проходило параллельно с развитием прикладной электрофизиологии, т. е. применением достижений в практической медицине, однако только совсем недавно оно начало постепенно выходить из рамок эмпиризма.

Наиболее широкое практическое применение электрофизиологические методы исследования получили в физиологии и клинике сердечно-сосудистых заболеваний (электрокардиография, векторкардиография), в физиологии и клинике нервной системы (электроэнцефалография), в гастроэнтерологии (электрогастрография), в офтальмологии (электроретинография). Электрофизиологические методы помогают устанавливать диагноз заболевания, следить за ходом лечения, делать прогнозы. Электрофизиологические методы широко применяются также в хирургии для контроля за глубиной наркоза, при полетах в космос для контроля за состоянием космонавтов и т. д. Данные электрофизиологии используются также в кибернетике и бионике. Есть полное основание говорить о широких перспективах дальнейшего развития электрофизиологии и повышения ее роли в теоретических исследованиях и практике.

spravr.ru

Электрофизиология органов чувств | Справочник врача

Орган чувств представляет собой, по существу, одно из звеньев анализаторной системы, которая включает в себя кроме собственно органа чувств проводящие пути и центральные нервные образования. То, что происходит в афферентных нервах и в центральной нервной системе при действии раздражителей на органы чувств, рассматривалось выше: по проводящим волокнам от рецепторов в различные отделы центральной нервной системы поступают импульсы. Условия распространения этих импульсов и передачи их в синапсах, отражение прихода их в кору в виде первичных и вторичных ответов описано ранее.

В этом разделе будут рассмотрены, главным образом, вопросы, связанные с условиями генерации импульсов в самих рецепторах.

В настоящее время все многочисленные рецепторы делят на две группы: первичные (первичночувствующие) и вторичные (вторичночувствующие). К первой группе относятся такие рецепторные приборы, у которых воспринимающей раздражение является собственно афферентная клетка (обонятельные и тактильные рецепторы, мышечные веретена, тельца Фатер — Начини и др.). К вторичным рецепторам относят те, у которых между сенсорным нейроном и действующим раздражителем располагаются дополнительные специализированные воспринимающие клетки (рецепторы органов слуха, зрения, вкуса, вестибулярного аппарата и др.). В первом случае иод влиянием того или иного раздражителя в рецепторной клетке возникает локальная электрическая реакция, которая получила название генераторного потенциала: По достижении определенного уровня этот генераторный потенциал порождает импульсные разряды, распространяющиеся по афферентному волокну. При возбуждении вторичного рецептора трансформация энергии внешнего раздражения происходит в рецепторной клетке. Здесь под влиянием раздражения возникает так называемый рецепторный потенциал, который вызывает выделение медиатора, воздействующего на окончание афферентного нейрона. В последнем развивается возбуждающий постсинаптический потенциал, который по достижении порогового уровня порождает распространяющиеся импульсы. Рецепторные и генераторные потенциалы по своим свойствам сходны с возбуждающими постсинаптическими потенциалами, т. е. они также градуально зависят от силы раздражения и распространяются с декрементом.

В недавнее время было показано, что действие адекватных раздражителей может порождать не только возбуждение, но и торможение. В последнем случае генераторный или рецепторный потенциал проявляется в форме не деполяризации, а гиперполярнзации (аналогично возникновению ТПСП).

Электрофизиология кожных рецепторов. В коже расположены многочисленные и самые разнообразные с морфологической и функциональной точек зрения рецепторы. Они воспринимают прикосновения, давление, болевые раздражения, холодовые или тепловые воздействия.

Одни из этих рецепторов представляют собой, по существу, голые нервные окончания (болевые рецепторы), другие — сложные нервные окончания в виде кисточек, корзинок, розеток и т. п., окруженных капсулой (или капсулами), такие как тельца Мейсенера, Фатер — Пачини, сухожильные и мышечные веретена. Очень хорошо известно, что каждый рецептор воспринимает определенное воздействие, проявляя к нему наиболее высокую чувствительность (адекватный раздражитель). Каждый раздражитель в конечном счете создает у человека специфическое ощущение.

Однако импульсы, которые поступают от всех этих рецепторов по афферентным волокнам, совершенно одинаковы и целиком сходны с токами действия эфферентных волокон. Тип ощущения, возникающего в мозге, определяется топографическим распределением в нем нервных волокон и относительной частотой разрядов в каждом из них. Еще Вольта убедился в том, что раздражение электрическим током различных рецепторов создает специфические ощущения.

Была попытка выяснить зависимость силы ощущения от силы раздражения органов чувств. Наибольшую известность в этом отношении получил закон Вебера—Фехнера, который говорит о том, что ощущение прямо пропорционально логарифму силы раздражения. Брейзье пишет, что «физик Фехнер, будучи религиозным мистиком, поэтом и, кроме того, романтиком, пытался выразить в этом законе соотношение между телом и душой, между окружающей человека средой и его психикой. Этот закон, конечно, нельзя трактовать с таким мистицизмом, так как все, что он демонстрирует (да и то не слишком хорошо), заключается в соотношении между раздражением и ощущением». Закон Вебера — Фехнера неоднократно подвергался критике, но в конечном счете следует признать, что он справедлив в условиях применения средней силы раздражения (и имеет отклонения при слабом и чрезмерно сильном раздражении рецепторов). Это, в частности, хорошо доказывается электро-физиологически. Если, например, раздражать рецепторы давления накладыванием на кожу грузиков возрастающей величины, то с кожного чувствительного нерва регистрируются нервные импульсы, частота которых прямо пропорциональна логарифму груза (Эдриан). Однако закон Вебера — Фехнера значительно осложняется процессами адаптации, происходящими в рецепторах. Высокая ритмическая активность нервных импульсов в афферентных волокнах при накладывании грузиков очень быстро падает вследствие адаптации, причем по скорости уменьшения частоты можно судить о степени адаптации. По скорости адаптации Эдралаи разделил различные проприо- и экстерорецепторы на фазные (быстро адаптирующиеся) и позиционные (медленно адаптирующиеся).

Можно получить одинаковые ощущения, раздражая рецепторы или непосредственно афферентный нерв. Однако органы чувств отличаются от нервов меньшей скоростью восстановления и большей рефрактерностью в ответ на повторное раздражение, чем нерв. Максимальная частота импульсов (разрядов) в чувствительном нерве значительно превышает частоту разрядов в любом рецепторе.

Самым трудным вопросом электрофизиологии органов чувств является вопрос о том, каким образом энергия внешнего раздражения трансформируется в органах чувств в нервный импульс. Этот вопрос до настоящего времени нельзя считать решенным для большинства органов чувств, несмотря на огромное значение, в частности, для бионики. Ясно, что адекватное раздражение рецепторов вызывает деполяризацию мембран этих рецепторов и рождение нервных импульсов. Но сведений о том, каким образом возникает эта деполяризация и почему так скоро происходит адаптация, еще слишком мало.

Вызванные потенциалы

Проприо- и интерорецепторы. Проприорецепторы мышц и интерорецепторы по своему общему морфологическому строению очень напоминают экстерорецепторы кожи. Сходными являются и электрические реакции, которые регистрируются в чувствительных нервах, переносящих возбуждение от них в центральную нервную систему, И опять-таки наиболее сложным вопросом является вопрос о трансформации энергии внешнего раздражения в нервный импульс. Известно, например, что среди интерорецепторов есть и прессо-, и хемо-, и тензо-, и терморецепторы, т. е. рецепторы, реагирующие на самые различные раздражители: результат во всех случаях бывает одним и тем же — поток нервных импульсов в центральную нервную систему различной частоты, но совершенно одинаковой формы и длительности (рис. 126).

Интеро- и проприорецепторы характеризуются меньшей лабильностью, более длительной адаптацией и другими особенностями.

Электрические явления в органе слуха. Как известно, чувствительные слуховые клетки кортиевого органа расположены на основной мембране внутреннего уха (улитки) и приходят в возбуждение при колебаниях основной мембраны. Нервные импульсы, возникающие в слуховом нерве, поступают в центральную нервную систему и в общем мало отличаются от нервных импульсов других органов чувств. В 1930 г. ученые Принстонского университета (США) —Уивер и Брей обнаружили очень интересное явление, которое получило название микрофонного эффекта Уивера и Брея. Сущность опыта этих авторов состояла в том, что, помещая электроды на слуховой нерв кошки и соединяя эти электроды с усилительной установкой и динамиком, оказалось возможным услышать из другой комнаты звуки, действующие на кошачье ухо. Звуки воспроизводятся при этом  настолько точно, что можно распознать не только отдельные слова, но и голос говорящего. Уивер и Брей сделали вывод, что импульсы, возникающие в слуховом нерве, точно воспроизводят частоту звуковых волн и ухо является, по существу, микрофоном. Но тогда нерв должен пропускать частоты в несколько тысяч герц (у летучей мыши до 100 000). Нервов, имеющих такой короткий рефрактерный период, какой в этом случае должен быть, физиологи не знают.

Проверка опыта Уивера и Брея показала, что микрофонный эффект ничего общего с токами действия не имеет. Он представляет собой чисто физическое явление и обусловлен свойствами внутреннего уха. Амплитуда микрофонного эффекта может достигать 1 мВ. Его можно записать не только от нерва, но и от улитки (рис. 127) или окружающих улитку тканей лучше всего от круглого окна улитки).

Стевенс и Дэвис предположили, что микрофонный эффект улитки может представлять собой пьезоэлектрический эффект (результат механических искривлений волосковых клеток). Это объяснение хорошо согласуется с тем фактом, что эффект Уивера и Брея удается наблюдать при анестезии, а также в течение некоторого времени после смерти животного. Пока нет никаких доказательств того, что микрофонный эффект играет какую-либо роль в слуховом ощущении.

Появление в нерве настоящих слуховых импульсов, возможно, связано с освобождением слуховыми клетками какого-то химического вещества. Однако импульсы, возникающие в слуховом нерве в обычных условиях, во всех отношениях сходны с импульсами других нервов организма. Наивысшая частота, которая при этом может передаваться по нерву, не превышает 900 Гц. Высота тонов определяется, как полагают, пространственной характеристикой нервного пути, начиная от кортиевого органа до коры больших полушарий. Сила раздражений передается частотой импульсов в нервном волокне. Однако еще нет общепризнанной теории слуха, чтобы уверенно говорить о том, где и как происходит окончательное распознавание звуков по их параметрам.

Электрофизиология органов обоняния. Физиология обонятельного анализатора изучена, пожалуй, хуже, чем физиология всех других органов чувств. До сих пор существует множество теорий (химических и физических), пытающихся объяснить механизм восприятия многообразных запаховых раздражителей. Известно, что обоняние является единственным чувством, которое не проецируется на таламическую область (хотя органы обоняния имеют непрямую связь с передними ядрами таламуса). Обонятельные нервы заканчиваются на так называемых митральных клетках обонятельной луковицы, а последние посылают свои аксоны к грушевидной извилине коры.

Обонятельные нервы имеют многочисленные представительства в переднем обонятельном центре, в поясной извилине и связаны с гипоталамусом и аммоновым рогом.

При действии паров запахового вещества на обонятельную выстилку между ее поверхностью и лежащей под ней тканью возникает медленное колебание электрического потенциала, которое было названое ольфактограммой. Ольфактограмма обычно имеет вид монофазной волны, но в разных участках эпителия может изменять свою форму и становиться двухфазной. Иногда на ольфактограмму накладываются быстрые ритмические колебания, механизм возникновения которых неясен (Минор, 1972). В настоящее время считают, что электроольфактограмма должна рассматриваться в качестве генераторного потенциала обонятельных рецепторов, причем ее негативная волна соответствует деполяризации рецепторной мембраны, а позитивная сходна по своему происхождению с тормозным постсинаптическим потенциалом.

С помощью микроэлектродов зарегистрированы, генераторные потенциалы и одиночной рецепторной клетки в ответ на действие запахового раздражителя. На эти потенциалы иногда накладывается несколько импульсных разрядов.

Импульсы, регистрируемые с обонятельных нервов, характеризуются большой длительностью (20—50 мс) и медленностью распространения (около 40 см/с).

Электрические ответы обонятельных рецепторов на разные запахи различны, причем, по-видимому, разные рецепторные клетки способны реагировать на воздействие нескольких запаховых раздражителей.

Электрические потенциалы в ответ на запаховые, а также электрические раздражители получены и с различных частей обонятельного анализатора, в частности с обонятельной луковицы и ее отдельных нейронов, причем и в этом случае отмечена специфичность реакции на разные запахи.

В целом же следует отметить, что электрофизиология органов обоняния до сих пор изучена весьма слабо.

Электрофизиология органов вкуса. Вкусовые рецепторы (клетки) собраны в так называемых вкусовых почках, которые в свою очередь объединяются во вкусовые сосочки (грибовидные, листовидные, окруженные валом). Вкусовые нервы, отходящие от этих вкусовых сосочков, относятся к волокнам лицевого, языкоглоточного и блуждающего нервов. Проводящие пути вкусовых ощущений проходят через таламус и заканчиваются в так называемой оперкулярной области коры больших полушарий (нижний конец задней центральной извилины теменной области мозга) вблизи от путей, несущих соматические чувствительные импульсы от лица. В этой области возникают электрические потенциалы после раздражения языка химическими веществами. С другой стороны, Пенфилд, раздражая эту область коры электрическим током, вызывал у людей вкусовые ощущения. До сих пор не известен механизм, посредством которого химические вещества возбуждают чувствительный нерв, но возбуждение это легко можно выявить в виде электрических потенциалов афферентного нерва. Регистрируя потенциалы с вкусовых афферентных нервов, можно обнаружить, что при действии на язык вкусовых раздражителей в этих нервах возникают импульсы двух родов: с одной стороны, высокоамплитудные быстро прекращающиеся от более толстых волокон, воспринимающих тактильные и температурные раздражители, с другой — низкоамплитудные, непрерывные импульсы собственно вкусовых волокон (рис. 128). За вкусовые волокна принимают очень тонкие (диаметром 4 мкм) афферентные волокна. Теория Лазарева о существовании рецепторов (а следовательно, и волокон), чувствительных только к определенным вкусовым веществам, получила подтверждение в опытах Цоттермана (1961), который, регистрируя потенциалы с вкусовых нервов, расщепленных на тонкие пучки, пришел к выводу, что отдельные вкусовые волокна очень специфично реагировали только на какой-нибудь один класс веществ, например кислоту, соль, хинин или сахарозу.

Электрофизиология органов зрения. В 1849 г. Дюбуа Реймон обнаружил, что если соединить роговицу и дно только что удаленного глаза лягушки с неполяризующимися электродами, включенными в цепь гальванометра, то обнаруживается разность потенциалов в 4—10 мВ, причем роговица всегда оказывается заряженной положительно по отношению к задней поверхности глаза. Позже было обнаружено, что этот ток покоя увеличивается при освещении глаза. Происхождение этой («исходной») разности потенциалов до сих пор не вполне установлено. Есть мнение, что она обусловлена неодинаковым распределением ионов между кровью в сосудах п камерной влагой глазного яблока.

Шведский исследователь Гольмгрен в 1865 г. обнаружил, что при освещении глаза «темновая» разность потенциалов испытывает весьма характерные колебания, которые он назвал током действия сетчатки; Готч в 1903 г. с помощью капиллярного электрометра впервые записал эти колебания и назвал их электроретинограммой.

У всех позвоночных животных и у человека электро-ретинограмма имеет сходный характер (у человека ее можно записать, приложив один электрод в виде фитилька к роговице глаза, а второй разместив на лице около глаза). Она состоит из небольшого негативного зубца а (отклонение кривой вверх соответствует положительности роговичного электрода и называется позитивным отклонение вниз — негативным), сменяемого высоким позитивным зубцом b, за которым регистрируется медленная положительная волна с. При выключении света регистрируется еще одна быстрая положительная волна d (рис. 129), которую часто называют «эффектом выключения» (тогда волну b можно называть «эффектом включения»).

В настоящее время считают, что ЭРГ складывается из трех самостоятельных компонентов, которые Гранит назвал компонентами РI, РII, РIII. Каждый из них отражает разные процессы, протекающие в сетчатке (рис. 130). Компонент PI, обусловливающий в ЭРГ волну с, сильно выражен в темноадаптированных глазах и уменьшается после световой адаптации, поэтому Гранит полагает, что этот компонент связан с активностью палочкового аппарата сетчатки. Наиболее вероятным источником компонента РII Гранит считает биполярные клетки сетчатки; источником же компонента PIII — горизонтальные клетки или фоторецепторы или и те и другие.

Несмотря на то что в анализе и механизме происхождения электроретинограммы еще далеко не все ясно и взгляды на происхождение компонентов ЭРГ часто противоречивы, электроретинография уже получила широкое применение в офтальмологии, так как было установлено, что при различного рода глазных заболеваниях (глаукоме, пигментной дегенерации сетчатки, отслойке сетчатки, атрофии зрительных нервов, при сосудистых нарушениях в сетчатке и многих других) ЭРГ приобретает характерные изменения, которые имеют большое диагностическое и прогностическое значение (подробные материалы в этом отношении можно найти в монографиях Е. Н. Семеновской, 1963, и Г. Г. Демирчогляна, 1964).

Медленные изменения электрических потенциалов в сетчатке глаза при световом раздражении, регистрируемые в виде электроретинограммы, сопровождаются возникновением потенциалов действия в ганглиозных клетках сетчатки, от которых отходят волокна зрительного нерва. Потенциалы зрительного нерва впервые были зарегистрированы Эдрианом и Метьюсом в 1927 г.

Гранит считает, что ответственным за возникновение потенциалов действия в ганглиозных клетках является только второй компонент ЭРГ, который возникает скорее всего в биполярных клетках.

Импульсация зрительного нерва сходна с импульсацией любого другого нерва как по амплитуде токов действия, так и по отношению к закону «все или ничего». При продолжительном действии света на глаз частота разрядов в нерве сначала бывает высокой, а затем (по мере адаптации рецепторных клеток) постепенно снижается.

Хартлайн в сетчатке глаза лягушки и Limulus (ракоскорпиона) обнаружил три типа ответов, которые могут быть записаны с различных волокон зрительного нерва: эффект включения, эффект выключения, эффект включения и выключения.

Изучение электрических потенциалов, возникающих в центральных отделах зрительного анализатора (коленчатых телах, таламусе, затылочной области коры больших полушарий) при действии световых раздражителей, позволило сделать тщательный анализ проводящих путей и ответить на многие вопросы, относящиеся к восприятию и переработке зрительной информации.

spravr.ru

Методы электрофизиологических методов и аппаратура

Успехи развития электрофизиологии в значительной степени определялись непрерывным совершенствованием методов и техники исследований и прежде всего измерительной и регистрирующей аппаратуры.

В свое время широкую известность получил струнный гальванометр, изобретенный Эйнтговеном в 1903 г. Именно Эйнтговену удалось с помощью данного прибора в 1904 г. впервые записать без всяких искажений электрокардиограмму (ЭКГ), а В. В. Правдич-Неминскому — электроэнцефалограмму (ЭЭГ).

Струнный гальванометр представляет собой сильный электромагнит, в поле которого натянута чаще всего кварцевая струна, покрытая слоем золота или серебра. В полюсах электромагнита вмонтирован проекционный микроскоп, перед окуляром которого установлен сильный источник света (в первых струнных гальванометрах для этой цели применялась вольтова дуга). При пропускании исследуемого тока через струну она начинает отклоняться в ту или другую сторону в зависимости от направления тока. Тень от колеблющейся струны проецируется на экран со щелью, за которым движется фотобумага или фотопленка, и фиксируется в виде соответствующей кривой.

Сходно устроен шлейфный гальванометр, или магнито-электрический вибратор, используемый в настоящее время.

Шлейфом называют (рис. 12) тонкую металлическую петлю, перекинутую через блок. На петле укреплено зеркальце. Петля расположена между полюсами постоянного магнита. Если через петлю пропускается переменный ток, то она начинает колебаться с той же частотой, и зеркальце отбрасывает направленный на него луч света. Колебания светового зайчика фиксируются на движущейся кинопленке или фотобумаге.

В качестве регистрирующих приборов широкое применение находят чернильно-пишущие приборы магнитоэлектрического или электромагнитного типа. Принцип их устройства сходен с принципом устройства зеркальных гальванометров, однако регистрирующая система имеет металлическое перо, связанное с чернильницей, и колебания этого пера непосредственно записываются на бумаге. Разумеется, эта система обладает очень малой чувствительностью. Ток, способный раскачать якорь в магнитном поле или магнитную систему в катушке, должен иметь большую мощность и поэтому подобные регистрирующие приборы находят применение только после предварительного усиления электропотенциалов. На рис. 13 изображен чернильно-пишущий прибор электромагнитного типа. Работа этого прибора основана на взаимодействии поля постоянного магнита 1 с магнитным полем, создаваемым управляющим током, который протекает по неподвижным катушкам 2. Катушки обхватывают обойму 3, внутри которой имеется якорь 4, способный вращаться на осевом стержне в подшипнике 5. Обойма 3 разделена магнитоизоляционными перегородками 6 на четыре части. Магнитные силовые линии идут по магнитопроводу 7 и далее через обойму в продольном направлении. Магнитный поток, возникающий при прохождении тока через катушку, пересекает обойму в поперечном направлении. В результате взаимодействия двух магнитных потоков, встречающихся в якоре 4, в последнем возникает механический вращающий момент. Пружина 8 возвращает перо 9 в исходное состояние.

Вибраторы электромагнитной системы способны записывать процессы частотой от 0 до 100 Гц (вследствие инерционности системы).

Магнитоэлектрический вибратор отличается тем, что его подвижной частью является рамка, которая может свободно вращаться в поле постоянного магнита. Измеряемый сигнал подается на рамку. Магнитное поле рамки взаимодействует с полем постоянного магнита и приводит в движение подвижную систему вибратора с прикрепленным на ней пером. Магнитоэлектрический чернильно-перьевой вибратор используется для записи процессов небольшой частоты, в основном до 30 Гц.

Все описанные приборы относятся к группе, инерционных, потому что из-за инерционности регистрирующих систем (зеркальце, перо, струна, ртуть) могут регистрировать частоты лишь определенного диапазона. Из них лишь шлейфные вибраторы могут использоваться для регистрации практически любого электрофизиологического процесса, так как имеют собственную частоту колебаний до 5000 Гц. В настоящее время сочетание удобства видимой записи с регистрацией колебаний относительно высокой частоты достигается часто применением струйных самописцев. По существу, это разновидность шлейфных гальванометров, в которых зеркальце заменено тонким стеклянным капилляром с наружным отверстием 5—8 мкм. В другой конец капилляра под высоким давлением подаются специальные чернила; тонкая струя этих чернил из наружного отверстия капилляра вычерчивает на движущейся бумаге соответствующие колебания.

В некоторых случаях в тех же целях применяется запись ультрафиолетовым лучом. Для подобной записи могут использоваться зеркальные и шлейфные гальванометры, но в качестве источника света применяют ртутную лампу сверхвысокой яркости, а регистрацию осуществляют на специальной фотобумаге, которая обладает высокой чувствительностью к ультрафиолетовым лучам, но .не «засвечивается» дневным светом. Изображение на такой бумаге появляется через несколько секунд без какой-либо химической обработки.

Только один прибор, по существу, является безынерционным и способным регистрировать любые частоты предварительно усиленных биоэлектрических колебаний. Таким прибором является электроннолучевая трубка, в которой колеблющейся системой является электронный луч.

На рис. 14 изображена схема электроннолучевой трубки. Основные ее части: I — стеклянный баллон (колба) с высоким вакуумом (иногда заполненный инертным газом), II — электронная пушка или электронно-оптическое устройство, III — электростатическое управляющее устройство и IV — люминесцирующий экран. Электронно-оптическое устройство включает подогревный катод 1, 2, который является источником вылетающих при нагревании (накале) электронов и управляющий или модулирующий электрод (иногда называют цилиндром Венельта) 3, на который через потенциометр R1 подается отрицательное относительно катода напряжение. Управляющий электрод охватывает катод и имеет только узкое отверстие для выхода луча (пучка) электронов. Поток электронов далее сильно притягивается первым анодом 4, на который подается высокое положительное напряжение (порядка 300—400 В). Затем расположен второй анод 5, на который подается еще более высокое напряжение (порядка 1000 В и более). Для этого используется потенциометр R2. Управляющая система III состоит из пластин вертикальной 6 и горизонтальной 7 развертки.

Первая пара развертывает луч (отклоняет) в вертикальной плоскости и называется пластинами у. На нее подается исследуемый потенциал; в зависимости от его полярности то верхняя, то нижняя пластина будет приобретать отрицательный заряд и тем самым отклонять (отталкивать) электронный луч в вертикальной плоскости. На пластины 7 горизонтальной развертки х подается ток от специального генератора пилообразного напряжения для того, чтобы развернуть изображение в горизонтальной плоскости. Можно подобрать такую скорость развертки, при которой периодически протекающий процесс как бы останавливается на экране.

Электроннолучевая трубка позволяет регистрировать любые частоты колебаний потенциалов. Но чувствительность ее низкая. Для того чтобы отклонить электронный луч на экране, надо подать на управляющие системы напряжение не ниже 1—2 В. Следовательно, эти приборы могут употребляться только после предварительного усиления биоэлектрических потенциалов.

Живые ткани как генераторы электричества

Из всех приборов, описанных выше, в настоящее время наибольшее применение находят зеркальные гальванометры, шлейфы, чернильнопишущие приборы и электроннолучевые трубки. Но почти все они получили применение после изобретения электронных ламп и усилителей. Поэтому, имея в своем распоряжении только один какой-нибудь из этих приборов, еще нельзя регистрировать электрические процессы в тканях. Для этого необходим ряд других приборов, которые вместе составляют электрографическую установку.

Простейшим типом такой установки является одно-канальная установка, позволяющая регистрировать электрические потенциалы с одного какого-нибудь органа или с определенного участка органа (например, электрокардиограмму в одном отведении, ЭЭГ с одной области мозга и т. п.). Установка включает в себя ряд отводящих электродов, которых обычно бывает не два, как можно было бы думать, а больше. Например, установка позволяет регистрировать ЭКГ только в одном отведении, но электроды обычно сразу размещаются в ряде точек тела (правая рука, левая рука, левая нога, различные точки грудной клетки). Это дает возможность последовательно записывать ЭКГ сначала, скажем, в I отведении, затем во II, III, грудных отведениях и т. п. Для того чтобы сделать это возможным, все отводящие провода (от каждого электрода) собираются к так называемому коммутатору электродов, т. е. переключателю, который позволяет последовательно включать различные пары электродов в любых интересующих исследователя комбинациях. От коммутатора электродов провода (уже только два) идут к усилителю биоэлектропотенциалов. Его назначение состоит в том, чтобы, не изменяя формы и длительности потенциалов, значительно увеличить их амплитуду. В этом случае потенциалы могут быть зарегистрированы осциллографами — малоинерционными приборами с низкой чувствительностью.

Основным элементом осциллографа является один из регистрирующих приборов, описанных выше: либо шлейфный гальванометр, либо электроннолучевая трубка, либо чернильно-пишущий прибор.

В электрографической установке имеется также ряд «вспомогательных» приборов. Эти приборы названы так потому, что и без них можно зарегистрировать электрические потенциалы живых тканей. Но записанная в этом случае электрограмма представляет небольшую ценность, так как ее фактически нельзя «прочитать», т. е. проанализировать. К вспомогательным приборам относятся отметчик времени, калибраторы напряжения, стимуляторы, отметчики моментов раздражения и др. Наконец, в электрографическую установку входит экранирующая камера, которая предназначена для ограждения электрографической установки от внешних помех — переменного тока осветительной электросети и промышленных помех. Без экранированной камеры помехи могут резко искажать, а иногда делать совершенно невозможной регистрацию электрических потенциалов живых тканей.

В настоящее время физиологи редко довольствуются регистрацией электрической активности одного какого-нибудь органа или его частей. Значительный интерес всегда представляет регистрация потенциалов одновременно с различных органов или с различных участков одного и того же органа. Только в этом случае удается понять взаимосвязь различных физиологических процессов в организме, например органов дыхания и кровообращения, электрической активности сердца и мозга, или электрической активности различных отделов коры и подкорки и т. д. Поэтому каждая электрофизиологическая лаборатория стремится иметь не одноканальную, а многоканальную или многопроцессную установку, позволяющую одновременно регистрировать несколько физиологических процессов. Современная многоканальная электрографическая установка представляет собой сложную систему физических приборов, часто занимающих большие площади, и вся лаборатория становится совсем не похожей на старые физиологические или биологические лаборатории с кимографами, рычажками и воздушными капсулами. Если принять во внимание, что сейчас созданы такие установки, которые позволяют одновременно регистрировать 50, 100 и более процессов, легко представить себе всю сложность подобных установок. Естественно, физиологи всегда стремились к тому, чтобы сделать эти установки менее громоздкими, более компактными и удобными. В настоящее время в этом отношении достигнуты очень большие успехи. Оказалось возможным все блоки электрографической установки (за исключением экранированной камеры) соединить в один общий блок и тем самым значительно уменьшить ее объем. Таким «агрегатом» является, например, современный электроэнцефалограф, электрокардиограф и т. п. С другой стороны, уменьшить общий объем установки удалось за счет замены отдельных деталей более компактными. Так, часто электронные лампы заменяются полупроводниковыми малогабаритными приборами. Именно таким образом удалось создать электрографические установки, размещающиеся в космических кораблях и позволяющие осуществлять регистрацию многих физиологических функций у космонавтов.

Прежде чем разбирать отдельные блоки электрографической установки, следует познакомиться с общими характеристиками (параметрами) этих установок.

Электрографические установки в зависимости от типа применяемых в них регистрирующих приборов (осциллографов) можно разделить на шлейфные, электронные и чернильно-пишущие. Оценка качества установки любого типа производится по следующим основным характеристикам: 1. Чувствительность установки. 2. Диапазон амплитуд регистрируемых колебаний. 3. Частотная характеристика. 4. Уровень собственных шумов.

Чувствительностью установки называется то напряжение, которое необходимо подать на вход электрографической установки с тем, чтобы вызвать отклонение кривой на электрограмме на 1 мм. Расчет чувствительности проводится следующим образом. С помощью специального прибора на вход электрографической установки подается строго определенное напряжение, например 50 мкВ. Допустим, что это вызвало отклонение светового пятна или пера на 40 мм. Чувствительность установки рассчитывают по пропорции

50 мкВ—40 мм

X — 1 мм

откуда  Х = 50•1 / 40=1,25 мкВ/мм.

В другом случае допустим, 150 мкВ вызвало отклонение луча или пера на 10 мм. Тогда чувствительность будет равна  150•1 / 10=15= мкВ/мм. Естественно, что первая установка является более чувствительной, чем вторая. Чувствительность современных электрографических установок достигает величины 1 мкВ/мм.

Диапазон амплитуд регистрируемых колебаний. Каждая электрографическая установка способна регистрировать без искажения потенциалы лишь в определенном диапазоне амплитуд. В зависимости от устройства усилителей и типа регистрирующего прибора существуют ограничения пропорциональности между величиной поданного напряжения и степенью отклонения регистрирующей системы: только в пределах определенного диапазона амплитуд повышение напряжения на входе будет  вызывать пропорциональное повышение величины отклонения записи на бумаге (или фотобумаге), т. е. на выходе. За пределами этого диапазона подобная пропорциональность нарушается, т. е. степень прироста отклонения регистрирующей системы будет меньшей, чем степень повышения напряжения, поданного на вход. Естественно, чем шире диапазон регистрируемых амплитуд, тем установка лучше, так как она может находить более широкое применение. Если, например, имеются две установки с диапазонами амплитуд от 5 мкВ до 1 мВ и от 5 мкВ до 200 мкВ, то, конечно, первая установка будет более удобной, потому что она может найти более широкое применение (для регистрации электрических потенциалов различной амплитуды). Наименьшая амплитуда потенциалов, которая может быть зарегистрирована установкой, определяется собственным шумом усилителя и чувствительностью установки.

Частотная характеристика установки зависит главным образом от особенностей регистрирующего прибора и усилителя. Можно сказать, что частотной характеристикой установки называется тот диапазон частот, которые электрографическая установка способна регистрировать без искажения. Если на оси абсцисс отложить частоту синусоидальных колебаний, а на оси ординат амплитуду этих колебаний и если на входе повышать только частоту (амплитуда подаваемого потенциала остается неизменной), то на записи в зависимости от частотной характеристики можно получить разную картину: в одном случае уже при относительно небольшой частоте амплитуда потенциалов на записи начинает уменьшаться; в другом искажения начинают появляться только при более высоких частотах. Ясно, что во втором случае регистрирующий прибор (или усилитель) более подвижен (менее инерционен). Если две. установки одинаково хорошо регистрируют самые низкие частоты, то лучшей из них будет та, которая способна регистрировать без искажений колебания более высокой частоты. Но если, например, у одной установки диапазон регистрируемых частот равен 25—5000 Гц, а у другой —0—1500 Гц, то вторая установка, несмотря на то, что диапазон регистрируемых ею частот более узкий, является для электрофизиологических исследований лучшей, так как этот диапазон, по существу, охватывает все частоты, которыми характеризуются колебания биоэлектрических потенциалов, в то время как первая не может регистрировать колебания с частотой ниже 25 Гц, т. е. многие электрические колебания живых тканей (например, ЭЭГ).

Уровень собственных шумов. Если включить динамик в то время, когда радиостанция работает, но диктор сделал небольшую «передышку», т. е. на какое-то время в эфир с радиостанции ничего не передается, то при этом будет слышаться небольшой шум, свидетельствующий о том, что динамик работает. Если этот шум (звуковые колебания) преобразовать в электрические потенциалы и записать с помощью электрографической установки, то он будет представлять собой непериодические колебания, по характеру напоминающие некоторые электрограммы живых тканей. Подобный же шум будет регистрироваться и электрографической установкой до подачи на ее вход исследуемых потенциалов. Если амплитуда подобных колебаний будет большой, то такую установку следует считать непригодной для электрофизиологических целей. В любой электрографической установке собственный шум неизбежен, так как он представляет результат собственных электрических колебаний в электронных лампах и других элементах; важно лишь, чтобы этот шум по амплитуде был ниже, чем амплитуда регистрируемых биопотенциалов. Для определения уровня собственных шумов установки прежде всего записывают этот шум при максимальной степени усиления и закороченном входе. Затем па вход установки подают строго определенное напряжение, например 20 мкВ, и сравнивают максимальную амплитуду шума с амплитудой отклонения, записанного при данном напряжении. Допустим, 20 мкВ дают отклонение луча (или пера) на 10 мм, амплитуда собственного шума (максимальная) 5 мм. Тогда уровень собственного шума будет равен 5 • 20 /10=10 мкВ. В лучших электрографических установках уровень собственного шума не превышает 1—2 мкВ. Таким образом при оценке качества электрографической установки прежде всего необходимо учитывать ее частотную характеристику, чувствительность, диапазон регистрируемых амплитуд, а также уровень собственных шумов, все время помня о том, какими параметрами характеризуются колебания биоэлектрических потенциалов.

Качество любой электрографической установки в целом зависит от характеристики входящих в нее отдельных блоков, поэтому важно знать назначение каждого из этих блоков и иметь хотя бы элементарное представление об их устройстве. Более подробное описание этих блоков можно найти в книге Л. А. Водолазского (1966) I) в руководстве Ю. Г. Кратина и сотр. (1963).

Экранированная камера. При регистрации биоэлектрических потенциалов электрофизиологу приходится вести борьбу с помехами и артефактами.

Помехами называют такие электрические колебания, поступающие на вход электрографической установки, которые не имеют отношения к регистрируемым биоэлектрическим потенциалам.

Одним из источников помех являются токи утечки.

Дело в том, что провода электросети, по которым течет переменный ток, если они даже скрыты в стенах, не полностью изолированы. Материалы, из которых сделаны стены, пол, потолки, представляют собой в действительности не изоляторы, а полупроводники и через них (как и через изоляцию проводов) токи частично могут проходить, создавая токи утечки. Такая утечка тока наиболее возможна в кирпичных помещениях, особенно, если эти помещения не вполне сухи. Токи утечки обычно распространяются от проводов в землю, а поскольку объект, с которого регистрируются потенциалы, заземлен, то они могут попадать на этот объект и через него на провода входа установки. Токи утечки, конечно, весьма малы: они могут создать невысокие потенциалы на входе, но если учесть, что усилитель повышает амплитуду входных потенциалов в сотни тысяч и даже миллионы раз, то на выходе они могут оказаться значительно превышающими потенциалы живых тканей, и регистрация последних становится невозможной.

Токи утечки легко обнаружить, если подсчитать число регистрируемых колебаний в секунду. Если оно равно точно 50 в секунду, это ток утечки.

Второй причиной помех являются магнитные поля, которые создаются вокруг проводов, если по этим проводам течет ток. Если провода противоположной полярности расположены близко друг к другу или свиты между собой, то суммарное магнитное поле между ними оказывается очень незначительным (оно взаимно подавляется), но если провод, по которому течет ток, одиночный, и если этот провод расположен близко ко входу электрографической установки, то магнитное поле может создавать в нем электродвижущую силу. Особенно мощные магнитные поля возникают от трансформаторов и моторов, близко расположенных к электрографической установке.

Источниками помех могут быть также электрические поля, которые возникают между проводами противоположной полярности. Если по проводам течет постоянный ток, то постоянное электрическое поле не будет существенным препятствием для регистрации биоэлектрических потенциалов. Но если токи переменные, они порождают переменные электрические поля. Последние «наводят» на теле испытуемого или другом объекте электрические потенциалы, которые опять-таки могут быть более высокими, чем регистрируемые. Наводки подобного типа особенно возрастают при большом сопротивлении электродов, т. е. при плохом их контакте с объектом.

Наконец, последним типом помех являются высокочастотные поля (более высокие, чем 50 Гц), создаваемые генераторами высокой частоты, электромоторами, рентгеновскими установками, УВЧ-установками и т. п. Опасность высокочастотных полей состоит в том, что они могут распространяться на большое расстояние и тем самым оказывать сильное влияние на вход установки как непосредственно, так и в результате возбуждения колебаний в находящихся в комнате проводах, между объектом и землей.

Артефакты — это колебания, создаваемые смещениями электродов, поступлением на вход установки био-электропотенциалов от других тканей, колебания, возникающие вследствие механических сотрясений приборов и т. п.

Борьба с помехами и артефактами должна начинаться практически с выбора помещения для электрографической установки. Помещение, по возможности, должно располагаться вдали от трамвайных и троллейбусных линий, желательно на самом нижнем этаже, в сухой комнате. Электрографическая установка должна располагаться возможно дальше от рентгеновских аппаратов, кабинетов физиотерапии, мощных трансформаторов и т. п.

При регистрации потенциалов для борьбы с токами утечки важнейшей мерой является изоляция объекта от пола, а также постройка дифференциального усилителя. От магнитных полей надежной защитой является экранировка трансформаторов; возможно дальнее их размещение, удаление проводов осветительной сети. Экранировка помогает избежать помех и от электрических полей, создаваемых осветительной сетью, и от высокочастотных полей. Поэтому наиболее надежным методом борьбы с помехами является экранирование и прежде всего постройка специальной экранированной камеры.

Экранированные камеры в идеале должны быть построены из листового железа или латуни, причем двуслойный экран более эффективен. Освещение внутри камеры осуществляется либо от источника постоянного тока, либо от лампочки, экранированной металлической сеткой. Важно, чтобы стены, потолок и пол камеры представляли собой единую и хорошо проводящую систему, поэтому листы железа или металлической сетки, из которых сооружается камера, обычно свариваются друг с другом. Дверь, построенная из того же материала, при закрывании должна обеспечивать надежный электрический контакт. Толстыми медными проводами камера присоединяется к системе заземления.

Современные экранированные камеры делают часто одновременно и звуконепроницаемыми. В них обеспечивается хорошая вентиляция. Внутри камеры размещается только объект исследования. Провода от него ко входу электрографической установки — только экранированные, т. е. заключенные в металлический чулок, который также заземляется.

Артефакты и помехи могут возникать в результате плохого (недостаточно надежного) контакта электродов, что приводит к их смещению и изменению сопротивления внешней цепи при дыхательных движениях, моргании, проглатывании слюны и т. п.

Коммутатор электродов. Регистрация биоэлектрических потенциалов с помощью современных электрографических установок, как правило, осуществляется одновременно или последовательно со многих пар электродов, расположенных на объекте исследования (например, при регистрации электроэнцефалограммы на голове испытуемого размещают иногда свыше тридцати электродов). Коммутатор позволяет осуществлять отведение потенциалов от любых точек в самых разнообразных комбинациях.

В простейшем случае коммутатор представляет собой входную колодку со многими гнездами и перемычками, которые позволяют соединить в пару любые электроды. В электрографических установках с большим числом каналов и большим числом электродов используются переключатели, позволяющие отводить потенциалы от многих точек мозга в различных комбинациях. Устанавливая ползунок переключателя на соответствующих цифрах, можно подвести потенциалы к избранному для регистрации каналу практически от любых двух электродов, расположенных на голове.

spravr.ru

Мыслящий тростник - Науки о живом

Вековые дубы, сочная травка, свежие овощи — мы как-то не привыкли считать растениями живыми существами, и совершенно зря. Эксперименты показывают, что растения обладают неким сложным аналогом нервной системы и точно так же, как и животные, способны принимать решения, хранить воспоминания, общаться и даже дарить друг другу подарки. Подробнее разобраться в электрофизиологии растений «Чердаку» помог профессор Оквудского университета Александр Волков.

«Чердак»: Я никогда не подумал бы, что кто-то занимается электрофизиологией растений, пока не наткнулся на ваши статьи.

Александр Волков: Вы не одиноки. Широкая публика привыкла воспринимать растения как еду или элементы ландшафта, даже не понимая, что они живые. Когда-то я делал в Хельсинки доклад по электрофизиологии растений, и тогда коллеги очень удивились: «Раньше занимался серьезной темой — несмешиваемыми жидкостями, а теперь какими-то фруктами, овощами». Но так было не всегда: первые книги по электрофизиологии растений были опубликованы еще в XVIII веке, и тогда изучение животных и растений шло почти параллельными путями. К примеру, Дарвин был уверен, что корень — это своеобразный мозг, химический компьютер, обрабатывающий сигналы со всего растения (см., например, «Способность к движению у растений» — прим. «Чердака»). А потом наступила Первая мировая война и все ресурсы были брошены на изучение электрофизиологии животных, потому что людям нужны были новые лекарства.

Ч: Это выглядит логичным: лабораторные мыши все-таки гораздо ближе к людям, чем фиалки.

А.В: В действительности различия между растениями и животными совсем не такие громадные, а в электрофизиологии они вообще минимальные. У растений есть почти полный аналог нейрона — проводящая ткань флоэма. У нее тот же самый состав, те же размеры и функции, что у нейронов. Единственное отличие, что у животных в нейронах для передачи потенциалов действия используются натриевый и калиевые ионные каналы, а в флоэме растений — хлоридный и калиевый. Вот и вся разница в нейрофизиологии. Немцы недавно нашли химические синапсы у растений, мы — электрические, и в целом у растений работают те же нейротрансмиттеры, что и у животных. Мне кажется, это даже логично: если бы я создавал мир, а я человек ленивый, я бы сделал все одинаковым, чтобы все было совместимо.

Дарвин считал корни растений своеобразным аналогом головного мозга. Фото: Ammak / Фотодом / Shutterstock

Зачем растениям нервные импульсы?

Мы не задумываемся об этом, но растения в своей жизни обрабатывают даже больше типов сигналов от внешней среды, чем люди или любые другие животные. Они реагируют на свет, тепло, гравитацию, солевой состав почвы, магнитное поле, различные патогены и гибко меняют свое поведение под действием полученной информации. К примеру, в лаборатории Стефано Манкузо (Stefano Mancuso) из Университета Флоренции проводили эксперименты с двумя вьющимися побегами фасоли. Ученые устанавливали между растениями общую опору, и побеги начинали наперегонки к ней тянуться. Но как только первое растение забиралось на опору, второе сразу будто признавало себя побежденным и переставало расти в этом направлении. Оно понимало, что борьба за ресурсы бессмысленна и лучше искать счастье где-нибудь в другом месте.

«Чердак»: Растения не двигаются, медленно растут и вообще живут неторопливо. Кажется, что нервные импульсы у них должны распространяться тоже гораздо медленнее.

Александр Волков: Это заблуждение, которое долго бытовало в науке. В 70-х годах XIX века англичане померили, что потенциал действия у венериной мухоловки распространяется со скоростью 20 сантиметров в секунду, но это была ошибка. Они были биологами и совершенно не владели техникой электроизмерений: в своих экспериментах англичане использовали медленные вольтметры, которые регистрировали нервные импульсы даже медленнее, чем они распространялись, что совершенно недопустимо. Теперь мы знаем, что нервные импульсы могут бежать по растениям с самыми разными скоростями в зависимости от места возбуждения сигнала и от его природы. Максимальная скорость распространения потенциалов действия у растений сравнима с такими же показателями у животных, а время релаксации после прохождения потенциала действия может меняться от миллисекунд до нескольких секунд.

Ч: Для чего растения используют эти нервные импульсы?

А.В: Хрестоматийный пример — это венерина мухоловка, о которой я уже упомянул. Эти растения живут в районах с очень влажной почвой, в которую плохо проникает воздух, и, соответственно, в этой почве мало азота. Недостаток этого необходимого вещества мухоловки добирают, поедая насекомых и маленьких лягушек, которых они ловят с помощью электрической ловушки — двух лепестков, в каждый из которых встроено по три пьезомеханических сенсора. Когда насекомое садится на любой из лепестков и задевает своей лапкой эти рецепторы, в них генерируется потенциал действия. Если насекомое задевает механосенсор дважды в течение 30 секунд, то ловушка захлопывается за доли секунды. Мы проверяли работу этой системы — прикладывали к ловушке венериной мухоловки искусственный электрический сигнал, и все работало точно так же — ловушка закрывалась. Потом мы повторили эти эксперименты с мимозой и другими растениями и так показали, что можно за счет электрических сигналов заставлять растения открываться, закрываться, двигаться, нагибаться — в общем, делать все что угодно. При этом внешние возбуждения разной природы генерируют у растений потенциалы действия, которые могут различаться амплитудой, скоростью и продолжительностью.

Ч: На что еще могут реагировать растения?

А.В: Если вы подстрижете травку у себя на даче, то в корни растений сразу пойдут потенциалы действия. По ним запустится экспрессия некоторых генов, и на порезах активируется синтез перекиси водорода, защищающей растения от инфекции. Точно так же если вы измените направление света, то первые 100 секунд растение никак не будет на это реагировать, для того чтобы отсечь вариант тени от птицы или животного, а потом снова пойдут электрические сигналы, по которым растение за секунды повернется таким образом, чтобы максимально захватить световой поток. Все то же самое будет, и когда вы станете капать кипящей водой, и когда поднесете горящую зажигалку, и когда опустите растение в лед — на любые раздражители растения реагируют с помощью электрических сигналов, которые управляют их ответами на изменившиеся условия внешней среды.

Венерина мухоловка ловит свою добычу с помощью нервных импульсов, возбуждаемых механосенсорами. Фото: Mark Freeth / Flickr

Память растений

Растения не только умеют реагировать на внешнюю среду и, по-видимому, просчитывать свои действия, но еще и завязывают между собой некоторые социальные отношения. Например, наблюдения немецкого лесничего Петера Воллебена показывают, что у деревьев бывает нечто вроде дружбы: деревья-партнеры переплетаются корнями и внимательно следят за тем, чтобы их кроны не мешали друг другу расти, в то время как случайные деревья, не питающие никаких особых чувств к своим соседям, всегда стараются захватить себе побольше жизненного пространства. При этом дружба может возникать и между деревьями разных видов. Так, в опытах того же Манкузо ученые наблюдали, как незадолго до смерти дугласия будто оставляет наследство: желтой сосне неподалеку от нее дерево посылало по корневой системе большое количество органических веществ.

«Чердак»: У растений есть память?

Александр Волков: У растений есть все те же виды памяти, что и у животных. Например, мы показали, что памятью обладает венерина мухоловка: чтобы ловушка сработала, на нее нужно отправить 10 микрокулонов электричества, но, оказывается, это не обязательно делать за один сеанс. Можно сначала подать два микрокулона, потом еще пять и так далее. Когда в сумме наберется 10, растению покажется, что в него попало насекомое, и оно захлопнется. Единственное, что между сеансами нельзя делать перерывы больше, чем в 40 секунд, иначе счетчик обнулится — получается такая краткосрочная память. А долгосрочную память растений увидеть еще проще: например, у нас одной весной на 30 апреля ударили заморозки, и буквально за одну ночь на инжирном дереве померзли все цветы, а в следующем году оно уже не расцветало до первого мая, потому что помнило, чем это закончилось. Похожих наблюдений физиологами растений было сделано немало за последние 50 лет.

Ч: Где хранится память растений?

А.В: Однажды я встретил на конференции на Канарских островах Леона Чуа, который в свое время предсказал существование мемристоров — сопротивлений с памятью о прошедшем токе. Мы разговорились: Чуа почти ничего не знал о ионных каналах и электрофизиологии растений, я — о мемристорах. В результате он попросил, чтобы я попробовал поискать мемристоры in vivo, потому что по его расчетам они должны быть сопряжены с памятью, но до сих пор в живых существах их никто не находил. У нас же все получилось: мы показали, что потенциал-зависимые калиевые каналы алоэ вера, мимозы и той же венериной мухоловки — это по природе своей мемристоры, а в следующих работах мемристивные свойства нашли в яблоках, картофеле, семенах тыквы, разных цветах. Вполне возможно, что память растений завязана именно на этих мемристорах, но точно пока это неизвестно.

Ч: Растения умеют принимать решения, обладают памятью. Следующий шаг — социальные взаимодействия. Могут ли растения общаться друг с другом?

А.В: Знаете, в «Аватаре» есть такой эпизод, где деревья общаются между собой под землей. Это не фантазия, как можно подумать, а установленный факт. Когда я жил в СССР, мы часто ходили за грибами и все знали, что гриб надо аккуратно срезать ножичком, чтобы не повредить грибницу. Теперь выясняется, что грибница — это электрический кабель, по которому деревья могут общаться как между собой, так и с грибами. Более того, есть множество свидетельств, что по грибнице деревья обмениваются не только электрическими сигналами, но еще и химическими соединениями или даже опасными вирусами и бактериями.

Ч: А что вы скажете по поводу мифа о том, что растения понимают человеческую речь, и поэтому с ними надо говорить ласково и спокойно, чтобы они лучше росли?

А.В: Это только миф, больше ничего.

Ч: Можем ли мы применять к растениям термины «боль», «мысли», «сознание»?

А.В: Об этом я ничего не знаю. Это уже вопросы философии. Прошлым летом в Петербурге был симпозиум по сигналам в растениях, и туда приехало сразу несколько философов из разных стран, так что этой темой сейчас начинают заниматься. Но я привык говорить о том, что я могу экспериментально проверить или рассчитать.

В семенах тыквы ученые нашли аналоги мемристоров — резисторов, обладающих памятью. Фото: Shawn Campbell / Flickr

Растения как сенсоры

Растения умеют координировать свои действия с помощью разветвленных сетей. Так, акация, произрастающая в африканской саванне, не только выделяет в свои листья токсическое вещество, когда ее начинают есть жирафы, но еще и испускает летучий «тревожный газ», передающий сигнал бедствия окружающим растениям. В результате жирафам в поисках пищи приходится перемещаться не к ближайшим деревьям, а отходить от них в среднем на 350 метров. Сегодня ученые мечтают использовать подобные отлаженные природой сети живых сенсоров для экологического мониторинга и других задач.

«Чердак»: Вы пробовали использовать ваши исследования по электрофизиологии растений на практике?

Александр Волков: У меня есть патенты по предсказанию и регистрации землетрясений с помощью растений. В преддверии землетрясений (в разных частях света временной интервал меняется от двух до семи суток) движение земной коры вызывает характерные электромагнитные поля. В свое время японцы предлагали их фиксировать с помощью гигантских антенн — железок высотой два километра, но никто такие антенны так и не смог построить, да это и не нужно. Растения настолько чувствительны к электромагнитным полям, что могут предсказывать землетрясения лучше любых антенн. Например, мы использовали для этих целей алоэ веру — подключали к ее листьями хлорсеребряные электроды, снимали электрическую активность, обрабатывали данные.

Ч: Звучит абсолютно фантастически. Почему эта система до сих пор не внедрена в практику?

А.В: Здесь возникла неожиданная проблема. Смотрите: допустим, вы мэр Сан-Франциско и узнаете, что через два дня будет землетрясение. Что вы будете делать? Если вы сообщите об этом людям, то в результате паники и давки может погибнуть или получить травмы даже больше людей, чем при землетрясении. Из-за таких ограничений я даже публично в открытой печати не могу обсуждать результаты наших работ. В любом случае, я думаю, рано или поздно у нас будут самые разные системы мониторинга, работающие на растениях-сенсорах. Например, мы в одной своей работе показали, что с помощью анализа электрофизиологических сигналов можно создать систему мгновенной диагностики различных заболеваний сельскохозяйственных растений.

chrdk.ru

биофак СПбГУ

bio.spbu.ru

Смотрите также

• 
  Чойсия растение
• 
  Хербс растение
• Стараква растения
• 
  Сандживани растение
• 
  Растение мурано
• 
  Растение корза
• 
  Растение змееголов
• 
  Латифолия растение
• 
  Корза растение
• 
  Козельник растение
• 
  Змееголов растение