Сайт учителя биологии и географии Лотоцкой Е. Г.

Со времен Ньютона считалось, что нервное возбуждение у живых существ распространяется с огромной скоростью, недоступной прямому измерению. Правда, Ньютон связывал это явление с неким тончайшим эфиром.
Позже итальянский физиолог Луиджи Гальвани высказал предположение, что по нервам распространяется «животное электричество». Однако лишь через полвека, в 1848 г., его идея была подкреплена исследованиями немецкого ученого Эмиля Дюбуа-Реймона, который опытным путем доказал: в живых организмах действительно вырабатывается электричество и распространение нервного возбуждения связано с передачей электрических сигналов.
Скорость распространения сигналов достигает 400 км/час!
В 1952 году английские физиологи Алан Ходжкин и Андру Хаксли и, независимо от них, австралийский физиолог Джон Эклс установили ионную природу передачи нервных сигналов. В 1963 году эти исследования были удостоены Нобелевской премии по медицине.

Нервные импульсы

Выяснилось, что нервные волокна — аксоны — выполняют роль не обычных металлических проводников электричества, а скорее звеньев релейной линии связи: поступающий сигнал передается только соседнему участку линии, где он усиливается, а затем передается дальше. Это позволяет сигналу передаваться на значительные расстояния без ослабления.

Рис. 1. Строение сенсорного и моторного нервов. Нейроны, передающие импульсы к эффекторам (органам, отвечающим на раздражения), называют моторными; нейроны, передающие импульсы в центральную нервную систему, называют сенсорными. Иногда сенсорные и моторные нейроны связаны между собой при помощи вставочных (промежуточных) нейронов

Упрощенно аксон можно представить как длинную цилиндрическую трубку с поверхностной мембраной, разделяющих два водных раствора разного химического состава и концентрации. При раздражении нерва по аксону распространяется своего рода электрохимическая реакция.
Рецепторы преобразуют энергию раздражителя в электрический сигнал, который возбуждает нейроны. Механизм возбуждения рецепторов связан с изменением проницаемости клеточной мембраны для ионов калия и натрия. Когда раздражение достигает пороговой величины, возбуждается сенсорный нейрон, посылающий импульс в центральную нервную систему. Можно сказать, что рецепторы кодируют поступающую информацию в виде электрических сигналов.
Таким образом, всю воспринятую информацию о температуре, цвете, вкусе, запахе и других характеристиках явлений и предметов нервная система преобразует в электрические импульсы, которые передает в отделы мозга — головного и спинного. Сигналы передаются по нервным клеткам в виде электрических импульсов. Электрофизиологические исследования показали, что мембрана аксона с внутренней стороны заряжена отрицательно по отношению к наружной стороне, и разность потенциалов составляет примерно —65 мВ. Этот потенциал, так называемый потенциал покоя, обусловлен разностью концентраций ионов калия и натрия по разные стороны мембраны.

Рис. 2. Изменение мембранного потенциала нервных клеток

При стимуляции аксона электрическим током потенциал на внутренней стороне мембраны увеличивается до +40 мВ. Потенциал действия возникает за счет кратковременного увеличения проницаемости мембраны аксона для ионов натрия и входа последних в аксон (около 10—6 % от общего числа ионов Na+ в клетке). Примерно через 0,5 мс повышается проницаемость мембраны для ионов калия; они выходят из аксона, восстанавливая исходный потенциал.

Рис. 3. Передача сигнала по аксонам

Строение глаза человека


Рис. 4. Строение глаза человека


Рис. 5. Строение сетчатки

В глазу человека имеется 7 миллионов колбочек и 100 миллионов палочек. Здесь от каждой клетки идёт отдельный нейрон, в то время как на периферии сигналы от нескольких светочувствительных клеток суммируются, что повышает чувствительность, но понижает остроту зрения. Далее благодаря нервным импульсам изображение передаётся в зрительную кору головного мозга, где анализируется путём сравнения с предшествующими зрительными образами.

Строение уха

Орган слуха, воспринимающий звуковые волны в воздухе или воде, называется ухом. Колебания барабанной перепонки преобразует механический сигнал в электрический, который затем посылается в центральную нервную систему.

Рис. 6. Схема строения уха человека

Биомагнетизм

Биомагнетизм — это магнитные поля биологических объектов. Жизнедеятельность любого организма сопровождается протеканием внутри него очень слабых электрических токов — биотоков (они возникают как следствие электрической активности клеток, главным образом мышечных и нервных). Биотоки порождают магнитное поле. Его называют биомагнитным. Измерение биомагнитного поля и получение на этой основе информации о генерирующих его биотоках составляют метод и предмет возникшего в 70-х гг. XX века направления исследований, получившего наименование «биомагнетизм», в отличие от магнитобиологии, изучающей воздействие магнитного поля на живые организмы.
Большинство исследований сердца, плода, скелетных мышц, глаза, сетчатки глаза, магнитных загрязнений легких, постоянных токов в коже человека и т.п. возможны только в условиях тщательного экранирования от «шумовых» магнитных полей самой различной природы. Существуют разные способы подхода к устранению влияния шумов. Наиболее радикальный — создание сравнительно большого объема (комнаты), в котором магнитные шумы резко уменьшены с помощью магнитных экранов. Для наиболее тонких биомагнитных исследований (на мозге) шумы необходимо снижать примерно в миллион раз, что может быть обеспечено многослойными стенками из магнитомягкого ферромагнитного сплава (например, пермаллоя). Экранированная комната — дорогостоящее сооружение, и лишь крупнейшие научные центры могут позволить себе ее создание. Количество таких комнат в мире в настоящее время исчисляется единицами.
Есть и другой, более доступный способ ослабить влияние внешних шумов. Он основан на том, что в большинстве своем магнитные шумы в окружающем нас пространстве порождаются хаотическими колебаниями (флуктуациями) земного магнитного поля и промышленными электроустановками. Вдали от резких магнитных аномалий и электрических машин магнитное поле хотя и флуктуирует со временем, но пространственно однородно, слабо меняясь ни расстояниях, сравнимых о размерами человеческого тела. Собственно же биомагнитные поля быстро ослабевают при удалении от живого организма. Это означает, что внешние поля, хотя и намного более сильные, имеют меньшие градиенты (т. е. скорость изменения с удалением от объекта), чем биомагнитные поля.
Биотоки в организме, кроме магнитных полей, создают и распределение электрических потенциалов на поверхности тела. Регистрация этих потенциалов уже давно используется в исследованиях и клинической практике — это электрокардиография, электроэнцефалография и т. п. Регистрация биомагнитных полей по аналогии с электрографическими методами (кардиографией, энцефалографией и т. п.) называется биомагнитографией (магнитокардиография и магнитоэнцефалография).
Магнитография и электрография дают разную информацию о токах в организме, поэтому они — не конкурирующие, а дополняющие друг друга методы исследования. Наоборот, именно их комбинация дает наиболее полную информацию об исследуемых процессах. Но для каждого из методов есть области, где применение какого-либо одного из них предпочтительнее.