Биофизические основы физиотерапии - часть 13

Nа-К-АТФазы и лучше ионов натрия стимулирует интен-

сивность активного транспорта. Если во внеклеточной среде

Na

+

 заменить на Li

+

, то деполяризация будет развиваться бы-

стрее и потенциал действия достигнет большей амплитуды.

Подобное изменение биоэлектрической активности нейронов

коры больших полушарий при употреблении солей Li

+

 (а точ-

нее — его карбоната) лежит в основе лечебного действия ли-

тиевых препаратов при маниакально-депрессивном психозе.

При этом их положительный эффект наблюдается как в ма-

ниакальной, так и в депрессивной фазах.

Электрофорез солей лития эффективен и давно использу-

ется при лечении рубцовых изменений. Лечебное действие

ионов лития также опосредовано влиянием на активный

транспорт и трансмембранную разность потенциалов, так как

она ниже у низкодифференцированных бластных клеток сое-

динительной ткани и выше у специализированных клеток,

утративших или снизивших способность к митозу. При заме-

щении Na

+

 на Li

+

 во внеклеточной среде активируется

Na—К-АТФаза, повышается трансмембранная разность по-

тенциалов и оптимизируются процессы дифференцировки и

пролиферации клеток нормальной эпителиальной и соедини-

тельной тканей.

Функционирование воротного механизма представляет со-

бой конформационные изменения четвертичной и третичной

структуры интегрального белка, позволяющие каналу быть

свободным или перекрытым для ионного тока. Канал пере-

крыт в покое при поляризованной мембране и высокой кали-

евой проводимости (отрицательный потенциал на внутренней

стороне мембраны), а ворота открываются при деполяриза-

ции мембраны до величины КМП или КУД. Если деполяри-

зация мембраны не достигает КУД и потенциал инверсии не

развивается, она называется подпороговой, а если деполяри-

зация достигает или превосходит КУД, то развивается потен-

циал действия (см. рис. 2.17). Открытие и закрытие ворот

натриевого канала есть результат внутримолекулярного взаи-

модействия (индукционного, диполь-дипольного) с огромной

напряженностью электрического поля на мембране.

Клетки возбудимых тканей имеют различные потенциалза-

висимые ионные каналы, соотношение которых на различ-

ных возбудимых мембранах неодинаково. В аксолемме доми-

нируют Nа

+

 и K

+

-зависимые каналы, в сарколемме скелетных

мышц присутствует некоторое количество Са

2+

-потенциалза-

висимых каналов, а в сарколемме кардиомиоцитов они пред-

ставлены в равных долях, тогда как в гладких мышцах доми-

нируют Са

2+

-потенциалзависимые каналы. Различные соот-

ношения ионных каналов определяют разные значения КУД

для соответствующих тканей. При преобладании потенциал-

зависимых натриевых каналов значение КУД близко к

100

Рис. 2.24. Работа ворот потенииалзависимых ионных каналов.

а — зависимость доли открытых h- и m-ворот от мембранного потенциала:

б — положение m- и h-ворот в покое (1), развитии пика ПД (2) и рефрак-

терности (3).

-55 мВ, а для мембран, содержащих преимущественно потен-

циалзависимые кальциевые каналы, величина КУД близка к

-35 мВ.

Открытое и закрытое состояния ионного канала реализу-

ются высоко- и низкоинерционными конформационными

изменениями. Можно наглядно представить, что воротный

механизм каната состоит из легких и подвижных «засло-

нок» — m-ворот (от англ. mobile — подвижный) и тяжелых

h-ворот (от англ. heavy — тяжелый). В состоянии покоя h-во-

рота открыты, m-ворота закрыты (рис. 2.24).

При пороговой и надпороговой деполяризации возбуди-

мой мембраны до КУД легкие m-ворота открываются, а тя-

желые h-ворота начинают медленно закрываться. В случае,

когда канал открыт, развивается потенциал действия: им-

пульс, или спайк (от англ. spike — пик). Далее после закры-

тия h-ворот закрываются и m-ворота, а h-ворота открывают-

ся и канал переходит в исходное состояние. Таким образом,

оба типа «ворот» работают в противофазе. После развития

потенциала действия, когда закрыты h-ворота, следующий

101

импульс может быть вызван уже их открытием и требует су-

щественно большей деполяризации, чем исходный КУД, до-

статочный для «срабатывания» m-ворот.

Срабатывание воротного механизма при деполяризации

осуществляется благодаря имеющему собственный диполь-

ный момент участку белковой молекулы канала — сенсору на-

пряжения. При уменьшении напряженности поля на мембра-

не в процессе ее деполяризации до КУД происходит смеще-

ние полярных структур канала, запускающих конформацион-

ные изменения, что приводит в итоге к срабатыванию

воротного механизма и открытию канала.

Кроме натриевых, в мембранах клеток имеются кальцие-

вые, калиевые, водородные и хлорные каналы. Каждый из

перечисленных типов каналов имеет индивидуальные особен-

ности молекулярной структуры, однако их рассмотрение вы-

ходит за рамки данного пособия.

2.5.4. Законы электрического раздражения

возбудимых тканей

Связь параметров воздействующего электрического стимула и

реакций возбудимой мембраны определяется законами элект-

рического раздражения нервных и мышечных волокон.

Молекулярная природа биоэлектрогенеза объясняет эмпи-

рически установленный Э. Пфлюгером закон: раздражение

возбудимых тканей обеспечивается только внешним током вы-

ходящего направления. Следовательно, при приложении к нер-

ву или мышце двух разнополярных электродов деполяриза-

ция возникает только в области катода, так как именно здесь

локальные ионные токи имеют выходящее из клетки направ-

ление.

Таким образом, при воздействии подпороговым электри-

ческим стимулом, величина которого меньше КУД, происхо-

дит градуальная деполяризация мембраны под катодом (кат-

электротон) и гиперполяризация под анодом (анэлектротон).

Изменения возбудимости мембраны под действием подпоро-

гового электрического тока называются электротоническими

явлениями (рис. 2.25).

При замыкании электрической цепи сила сокращения

мышц под катодом {катодзамыкательное сокращение, КЗС)

больше, чем под анодом (анодзамыкательное сокращение,

АЗС). При размыкании цепи наблюдают обратные соотноше-

ния: сила анодразмыкательного сокращения мышцы (АРС) бо-

льше катодразмыкательного (КРС). Такой феномен связан с

тем, что при выключении гиперполяризующего тока мемб-

ранный потенциал падает до исходного уровня при смещен-

ном к нему КУД, в результате чего наступает возбуждение

мышечного волокна.

102

Рис. 2.25. Зависимость

ПД от направления,

силы и крутизны тока.

А — эффективное на-

правление электрическо-

го тока при внутрикле-

точном (а) и внеклеточ-

ном (б) раздражении.

Б — порог возбуждения.

КУД и их изменение при

медленном нарастании

силы тока.

Таким образом, полярный закон Пфлюгера для сокраще-

ния мышц может быть выражен следующим неравенством:

КЗС > АЗС > АРС > КРС. [2.50]

Следует отметить, что с увеличением амплитуды электри-

ческого стимула возбуждается все большее число мышечных

волокон, пока не наступит сокращение всех волокон данной

мышцы (лестница Боудича).

Аккомодационные свойства возбудимых мембран лежат в

основе закона раздражения Э. Дюбуа-Реймона, согласно ко-

торому реакции возбудимых тканей определяются не только

силой действующего тока, но и скоростью его изменения

(крутизной переднего фронта импульса). Позднее было уста-

новлено, что пороговая сила деполяризующего импульса тока

прямоугольной формы зависит как от амплитуды, так и от

продолжительности электрического импульса (рис. 2.26).

Этот закон графически изображается на рисунке кривой

«сила — длительность» (I/Т), которая является совокупностью

точек, образованных правыми верхними углами пороговых

электрических импульсов, вызывающих минимальное возбуж-

дение, и которая может быть адекватно записана уравнением:

I = Q/T +R. 

 [2.51]

где Q — суммарный заряд, переносимый электрическим им-

пульсом, R — реобаза — пороговая амплитуда электрического

тока, вызывающего реакцию возбуждения вне зависимости от

его длительности.

При действии электрических импульсов величиной в 1 рео-

базу зависимость эффекта возбуждения от длительности им-

103

Рис. 2.26. Зависимость ПД от длительности и силы тока.

а — рост порога при укорочении продолжительности прямоугольного депо-

ляризующего импульса: б — кривая «сила—длительность». I и T — ампли-
туда и длительность порогового электрического импульса, вызывающе-
го возбуждение нервов и мышц, р — реобаза. 1— ток малой амплитуды и
большой длительности, обеспечивающий генерацию импульса «1»; 2 — ток
малой амплитуды и малой длительности, недостаточный для генерации им-

пульса; 3 — ток большой амплитуды и малой длительности, обеспечиваю-
щий генерацию импульса «3».

пульса исчезает, что соответствует аккомодации возбудимой

ткани к электрическому току. Минимальная продолжитель-

ность импульса называется полезным временем (t

n

) и различна у

мышц и нервов. Так, скелетные мышцы здорового человека

отвечают сокращением на импульсы продолжительностью

10

-4

—10

-3

 с, а при патологических изменениях реакция наблю-

дается на импульсы длительности 5*10

-2

—10

-3

 с и выше.

Кривая «сила — длительность» имеет наиболее крутой учас-

ток в точке, соответствующей току в 2 реобазы (см. рис. 2.26).

Минимальная длительность прямоугольного импульса ампли-

тудой в 2 реобазы, вызывающего едва заметное возбуждение,

называется хронаксией (Сh). Сила возбуждения нарастает с

увеличением минимального градиента импульса и максималь-

на у электрических импульсов прямоугольной формы.

Такая зависимость описывает только импульсы тока пря-

моугольной формы (токи Ледюка), так как аккомодация воз-

будимых мембран к максимально крутому переднему фронту

минимальна, однако вследствие различной инерционности

воротного механизма экспериментальная кривая «сила —

длительность» несколько отличается от простой обратной

пропорциональности в сторону большей «эффективности»

коротких импульсов. Например, при уменьшении вдвое дли-

тельности импульса величина порогового тока увеличится не

в два раза, а примерно в 1,4. Учитывая, что 1,4 примерно

равно квадратному корню из 2, то кривая, описываемая урав-

104

нением I = q/t

0,5

 + R, лучше согласуется с экспериментом в

области коротких импульсов с длительностью менее хронак-

сии (длительность импульса тока в 2 реобазы, который вызы-

вает возбуждение). Так. длительность импульсов несущей ча-

стоты синусоидальных модулированных токов — СМТ (амп-

липульстерапия) — составляет 0,2 мс и в 50 раз меньше, чем

длительность импульса при диадинамотерапии, но сила тока

при СМТ-терапии больше по сравнению с диадинамотера-

нией не в 50, а в 6—7 раз, т.е. примерно в (50)

1/2

.

Отклонение кривой «сила — длительность» от вила, харак-

терного для гиперболической формы, свойственного здоро-

вой ткани, наблюдается при дистрофической и дегенератив-

ной патологии нервной и мышечной ткани и имеет диагнос-

тическое значение. Так. увеличение хронаксии в несколько

раз (до 10 раз и более) по сравнению со значением, прису-

шим здоровой мышце, указывает на отсутствие возможности

проведения возбуждения по нервным проводникам мышцы.

Сокращение в данном случае обусловлено возбуждением не

нервных проводников, а собственно мышечных волокон.

Кроме того, вследствие блокады проведения возбуждения по

нервным проводникам сокращение мышцы имеет не генера-

лизованный характер за счет всех волокон, а представляет со-

бой медленные червеобразные сокращения за счет наиболее

возбудимых волокон вблизи электрода.

Под влиянием импульсов электрического тока, вызываю-

щих формирование потенциалов действия, происходят после-

довательные изменения возбудимости нервов и мышц. Депо-

ляризация мембран приводит к открытию Na

+

-каналов с их

последующей инактивацией (на пике потенциала действия),

что называют абсолютной рефрактерной фазой (АРФ). Она

сменяется относительной рефрактерной фазой (ОРФ), которая

отражает реполяризацию возбудимых мембран и связана с ча-

стичной инактивацией Na

+

-каналов и постепенной актива-

цией К

+

-каналов (рис. 2.27). Возбудимость тканей при этом

снижена и генерация спайков происходит лишь при действии

импульсов значительной амплитуды. После  О Р Ф следуют

фазы экзальтации (ФЭ — повышения возбудимости) и суб-

нормальности (ФС — снижения возбудимости), связанные с

инерционностью сенсоров напряжения ионных каналов, что

проявляется в последовательном следовом повышении и по-

нижении возбудимости тканей.

Продолжительность фаз измененной возбудимости раз-

лична. В скелетных мышцах продолжительность АРФ состав-

ляет 2,5 мс,  О Р Ф — 12 мс, а ФЭ и ФС — 2 мс. У двигатель-

ных нервных волокон время АРФ короче 1 мс, а длитель-

ность остальных фаз также не превышает 1 мс. Максимально

возможная частота импульсной активности в нервных и мы-

шечных волокнах лимитируется продолжительностью абсо-

105

Рис. 2.27. Изменения возбудимости тканей при действии импульсов

электрического тока.
По оси абсцисс — время Т, мс; по оси ординат — возбудимость S, усл. ед.

АРФ — абсолютно рефрактерная фаза; ОРФ — относительно рефрактерная

фаза; ФЭ — фаза экзальтации; ФС — фаза субнормальности.

лютно рефрактерной фазы и служит показателем лабильности

(Л) — функциональной подвижности возбудимых тканей при

импульсной стимуляции:

Л ~ АРФ

-1

. [2.52]

Фазы измененной возбудимости определяют частоту элек-

трической стимуляции нервов и мышц, которая не должна

превышать лабильности нервных и мышечных волокон. Так,

лабильность неповрежденной мышцы не превышает 200—

500  с

1

, тогда как при патологических изменениях она состав-

ляет 25 с

-1

. Лабильность двигательных нервных проводников

составляет 300—600 с

1

, а при функциональных или патологи-

ческих изменениях она может уменьшаться до 15 с

-1

.

При раздражении электрическим током мышцы или нерва

изменяется их биоэлектрическая активность и формируются

спайковые ответы. Электростимуляция с частотой, превыша-

ющей 10 имп*с

-1

, вызывает интегральный эффект деполяри-

зации и в итоге сильное длительное сокращение мышцы —

тетанус. При частоте электростимуляции 10—20 имп*с

-1

 про-

исходит частичное расслабление и последующее сокращение

скелетной мышцы — зубчатый тетанус. С увеличением час-

тоты мышца не расслабляется из-за частого следования элек-

трических импульсов и наступает гладкий тетанус, который

при дальнейшем нарастании частоты сменяется полной не-

возбудимостью (пессимумом возбуждения), что связано с

инактивацией химиочувствительных каналов субсинапти-

ческой мембраны концевой пластинки. Примечательно, что

частотные диапазоны различных видов сокращений неодина-

ковы.

106

Эффект возбуждения периферических нервов зависит и от

типа составляющих их нервных волокон. В соответствии с

классификацией Г.С. Гассера и Дж. Эрлангера выделяют не-

сколько типов нервных проводников (табл. 2.1).

Т а б л и ц а 2.1. Классификация волокон в периферических нервах

Возбуждение нервов происходит наиболее эффективно в

случае совпадения частотного диапазона электростимуляции

с оптимумом следования спайков в нервных проводниках.

Так, под влиянием электрического раздражения нервов им-

пульсами с частотой выше 50 имп*с

-1

 возникает возбуждение

преимущественно двигательных нервных проводников (Аα- и

Аγ-волокон) и пассивное сокращение иннервируемых ими

мыши. В результате постепенно усиливается их ослабленная

сократительная функция. Активация метаболизма способст-

вует восстановлению проводимости и возбудимости перифе-

рических нервов и ускорению их регенерации. При электро-

стимуляции нервных стволов, а также в связи с присутствием

в них вегетативных проводников усиливается трофика иннер-

вируемых тканей и нарастает интенсивность пластических и

энергетических процессов в органах. При этом восстанавли-

вается нервная регуляция мышечных сокращений, увеличи-

вается сила и объем мышц, их адаптация и порог утомления.

107