Реобаза — это мера возбудимости мембранного потенциала . В нейронауке реобаза — это минимальная амплитуда тока бесконечной длительности, которая приводит к достижению порога деполяризации клеточных мембран, например, потенциала действия или сокращения мышцы. [1] В греческом языке корень rhe переводится как «ток или поток», а basi означает «дно или основание»: таким образом, реобаза — это минимальный ток, который вызовет потенциал действия или сокращение мышцы.
Реобаза может быть лучше всего понята в контексте соотношения силы и продолжительности (рис. 1). [2] Легкость, с которой мембрана может быть стимулирована, зависит от двух переменных: силы стимула и продолжительности, в течение которой применяется стимул. [3] Эти переменные находятся в обратной зависимости: по мере увеличения силы применяемого тока время, необходимое для стимуляции мембраны, уменьшается (и наоборот) для поддержания постоянного эффекта. [3] Математически реобаза эквивалентна половине тока, который необходимо применить для продолжительности хронаксии , которая является постоянной времени силы и продолжительности, которая соответствует продолжительности времени, которое вызывает ответ, когда нерв стимулируется с двойной реобазной силой. [3]
Кривая силы-длительности была впервые обнаружена Г. Вайсом в 1901 году, но только в 1909 году Луи Лапик ввел термин реобаза . [4] Многие исследования проводятся в отношении значений реобазы и динамических изменений в процессе созревания и между различными нервными волокнами. [5] В прошлом кривые силы-длительности и определения реобазы использовались для оценки повреждения нерва ; сегодня они играют роль в клинической идентификации многих неврологических патологий, включая диабетическую невропатию , хроническую воспалительную дегенерацию мышечных волокон (CIDP) , болезнь Мачадо-Джозефа [6] и боковой амиотрофический склероз (БАС) . [7]
Постоянная времени сила-длительность (хронаксия) и реобаза являются параметрами, которые описывают кривую сила-длительность — кривую, которая связывает интенсивность порогового стимула с его длительностью. По мере увеличения длительности тестового стимула сила тока, необходимая для активации потенциала действия одного волокна, уменьшается.
Кривая сила-длительность представляет собой график порогового тока (I) в зависимости от длительности импульса (d), необходимого для стимуляции возбудимой ткани . [4] Как уже упоминалось, две важные точки на кривой — это реобаза (b) и хронаксия (c), которая коррелирует с удвоенной реобазой (2b). Кривые сила-длительность полезны в исследованиях, где требуемый ток изменяется при изменении длительности импульса. [8]
В 1907 году французский нейробиолог Луи Лапик предложил свое экспоненциальное уравнение для кривой силы-длительности. Его уравнение для определения тока I :
где b относится к значению реобазы, а c относится к значению хронаксии за период d .
Гиперболическая формула Лапика объединяет пороговую амплитуду стимула с его длительностью. Это представляет собой первую управляемую физиологически определенную формулу, которая могла бы сравнивать возбудимость различных тканей, что отражало настоятельную потребность на рубеже 20-го века. [4] Лапик использовал импульсы постоянного тока, разряда конденсатора , чтобы получить хронаксию для широкого спектра возбудимых тканей. [4] Реобаза в уравнении Лапика является асимптотой гиперболической кривой при очень большой длительности.
В 1901 году Г. Вайс предложил еще одно линейное уравнение , использующее кривую длительности заряда Q. Электрический заряд Q можно рассчитать с помощью следующего уравнения:
снова, где I - ток , измеряемый в амперах, умноженный на длительность d . b относится к значению реобазы, а c относится к значению хронаксии.
Реобаза в формуле Вейсса — это наклон графика. Пересечение с осью x уравнения Вейсса равно bxc , или реобаза умноженная на хронаксию.
Это уравнение предполагает, что график пороговой силы стимула в зависимости от длительности стимула должен показывать спад к нулю по мере увеличения длительности стимула, поэтому сила стимула, необходимая для достижения порога, по прогнозам, будет увеличиваться при более продолжительной стимуляции. [4] Кривая силы-длительности для типичной нервной мембраны слегка отклонена от прогнозируемого графика, поскольку кривая выполаживается в ответ на повторяющуюся стимуляцию, достигая асимптоты, представляющей реобазу. [4] Когда длительность стимула увеличивается, перенос заряда и мембранный потенциал экспоненциально возрастают до плато (вместо линейного увеличения со временем). [4] [6] Когда реобаза превышает силу стимула, стимуляция не может генерировать потенциалы действия (даже при больших значениях t); таким образом, если стимул слишком мал, мембранный потенциал никогда не достигает порога. Несоответствие между формой кривой силы-длительности, предсказанной уравнением Вайса, и той, которая фактически наблюдается в нейронных мембранах, можно объяснить утечкой заряда, которая происходит в физиологических условиях, что является особенностью электрического сопротивления мембраны. [4] [6] Уравнение Вайса предсказывает связь между силой стимула и длительностью для идеального конденсатора без сопротивления утечки.
Несмотря на это ограничение, уравнение Вайса обеспечивает наилучшее соответствие данным о силе-длительности и указывает на то, что реобаза и постоянная времени (хронаксия) могут быть измерены по кривой длительности заряда с очень небольшой погрешностью. [9] Вайс использовал прямоугольные импульсы постоянного тока и обнаружил, что пороговый заряд, необходимый для стимуляции, увеличивается линейно с длительностью импульса. [4] Он также обнаружил, что заряд стимула , произведение тока стимула и длительности стимула, пропорционален реобазе, поэтому для расчета реобазы необходимы только две длительности стимула. [6]
Использование кривых силы-длительности было разработано в 1930-х годах, за которым последовало использование измерений порогового тока для изучения возбудимости аксонов человека в 1970-х годах. [6] Использование этих методов при токсических невропатиях позволило исследователям определить защитные факторы для многих заболеваний периферических нервов и нескольких заболеваний центральной нервной системы (см. Клиническое значение).
Исследование нервной возбудимости дополняет традиционные исследования нервной проводимости, позволяя получить представление о биофизических характеристиках аксонов , а также о функционировании их ионных каналов. [10] Протокол направлен на предоставление информации об узловых, а также межузловых ионных каналах, и индексы чрезвычайно чувствительны к потенциалу мембраны аксонов . [10] Эти исследования дали представление о состояниях, характеризующихся изменениями потенциала покоя, такими как концентрация электролитов и pH , а также о специфических функциях ионных каналов и насосов в нормальных и больных нервах. [11] Кроме того, программное обеспечение, позволяющее рассчитывать реобазические значения и значения постоянной времени как для нормальных, так и для больных нервов, недавно позволило исследователям определить некоторые важные факторы для ряда распространенных нервных расстройств, многие из которых связаны со значительной демиелинизацией (см. Клиническое значение). [10] [11] Супраксиальная электрическая стимуляция и измерение скорости проводимости и амплитуд сложных двигательных (CMAP) и сенсорных (SNAP) ответов обеспечивают измерения количества и скоростей проводимости крупных миелинизированных волокон. [10] [11] Кроме того, множественные измерения возбудимости в протоколе TROND позволяют оценивать ионные каналы (транзиторные и постоянные Na + каналы, медленные K + каналы) в перехватах Ранвье путем вычисления кривых реакции на стимул, постоянной длительности силы (хронаксии), реобазы и цикла восстановления после прохождения потенциала действия. [10] Это достигается путем подачи длинных поляризующих токов на нерв и измерения влияния напряжения на потенциалзависимые ионные каналы под миелином. [10]
В нейронах реобаза определяется как наименьший введенный шаговый ток бесконечной длительности, который приводит к одному потенциалу действия. На практике существует несколько проблем измерения реобазы. Общий протокол заключается в том, чтобы ввести токи различной амплитуды, наблюдать, были ли произведены какие-либо потенциалы действия, а затем дополнительно уточнять величину введенного тока, пока не будет идентифицирована граница между поведением со спайками и без спайков.
Продолжительность
Поскольку невозможно ждать бесконечное количество времени, пробные токи вводятся на конечные длительности. Длительность тока варьируется в разных публикациях, но составляет порядка 0,1-5 секунд. Однако это также подразумевает, что введенный ток, не вызвавший всплесков, мог бы вызвать всплески, если бы его длительность была больше. По этой причине длительность тока следует указывать при сообщении реобазы ячейки.
Точность
В дополнение к длительности тока невозможно найти точное значение реобазы в реальной клетке. В публикациях распространенным методом является попытка различных токов с некоторыми приращениями (например, 10 пА) и нахождение двух последовательных амплитуд тока, которые приводят и не приводят к потенциалам действия. Наименьшая разница между нижним и верхним используемыми токами — это точность поиска реобазы: «истинная» реобаза находится где-то между двумя проверенными значениями тока.
Точность также зависит от теплового шума и стохастической природы ионных каналов. Если ячейка не дает надежного скачка при определенной амплитуде тока, метод поиска можно модифицировать, включив несколько повторных инъекций тока, чтобы найти такой ток, который надежно приводит к скачкам.
Максимальный диапазон амплитуды тока
При поиске реобазы необходимо выбрать правильный диапазон амплитуды тока. Если максимальный используемый ток слишком мал, пики не будут возникать. Если слишком велик, здоровье клетки может быть нарушено. Перед началом поиска можно измерить входное сопротивление мембраны клетки (от отрицательных инъекций тока) и использовать его для оценки тока, необходимого для активации клетки (например, если -10 пА снижает потенциал на 20 мВ, то клетка, которая находится в состоянии покоя при -60 мВ, вероятно, даст пик по крайней мере один раз в ответ на инъекции +30 пА).
Отрицательная реобаза
Стандартное определение реобазы предполагает, что данная клетка не дает скачков, когда ток не вводится. Однако некоторые клетки дают спонтанные скачки (например, клетки кардиостимулятора ). Для таких клеток отрицательный (ингибиторный) ток успокоит их, в то время как немного менее отрицательный ток приведет к потенциалам действия. В таких случаях протоколы стимуляции, которые используют реобазу и предполагают, что частота скачков пропорциональна реобазе, дадут бессмысленные результаты (например, частота скачков в ответ на 2X реобазу не будет больше, чем при 1,5X реобазе).
Разрывающиеся клетки
Взрывающиеся клетки будут производить множественные скачки после активации. Для таких клеток может быть очень сложно найти ток, который производит только один скачок в течение заданного периода времени. Для таких клеток можно использовать нахождение границы между токами, которые приводят к скачкам и без скачков.
Клетки с подпороговыми колебаниями
Клетки, которые демонстрируют подпороговые колебания, будут демонстрировать фазозависимую реобазу. Если начало шага тока совпадает с пиком подпорогового колебания (клетка находится ближе к порогу срабатывания), для возникновения спайка потребуется меньший ток. И наоборот, если начало шага совпадает с впадиной колебания (дальше от порога), для возникновения спайка потребуется больший ток. Используя различные задержки перед началом и повторяя инъекции тока, можно найти ток, который будет гарантировать, что спайк будет произведен независимо от фазы подпорогового колебания.
Температура
Температура среза может влиять на кинетику ионных каналов и изменять реобазу. Это означает, что ток, который производит один всплеск при одной температуре, может не производить никаких всплесков при другой температуре. По этой причине температура среза должна быть указана при сообщении реобазы ячейки.
Свойства нодальной мембраны в значительной степени определяют свойства силы-длительности аксона , и они будут меняться с изменениями мембранного потенциала, с температурой и с демиелинизацией , поскольку открытая мембрана эффективно увеличивается за счет включения паранодальной и интермодальной мембраны. [9] Таким образом, постоянная времени силы-длительности является отражением постоянной функции Na + -канала и, кроме того, зависит от мембранного потенциала и пассивных свойств мембраны. [10] Таким образом, многие аспекты тестирования возбудимости нерва зависят от функций натриевых каналов : а именно, постоянная времени силы-длительности, цикл восстановления, кривая стимул-реакция и соотношение ток-порог. Измерение реакций в нерве, которые связаны с узловой функцией (включая постоянную времени силы-длительности и реобазу) и межузловой функцией, позволило понять нормальную физиологию аксона, а также нормальные колебания концентрации электролитов . [7]
Реобаза зависит от возбудимости узловой мембраны, которая увеличивается при гиперполяризации и уменьшается при деполяризации . Ее зависимость от напряжения следует поведению постоянных натриевых каналов, которые активны вблизи порога и имеют быстро активирующие, медленно инактивирующие свойства канала. [6] Деполяризация увеличивает ток Na + через постоянные каналы, что приводит к более низкой реобазе; гиперполяризация имеет противоположный эффект. Постоянная времени сила-длительность увеличивается с демиелинизацией, поскольку открытая мембрана увеличивается за счет включения паранодальной и межнодальной мембраны. Функция последней из них заключается в поддержании покоящегося мембранного потенциала , поэтому межнодальная дисфункция значительно влияет на возбудимость в больном нерве. Такие последствия далее обсуждаются в разделе «Клиническое значение».
Исследования возбудимости нервов выявили ряд биофизических различий между сенсорными и моторными аксонами человека. [6] Несмотря на то, что диаметры и скорости проводимости наиболее возбудимых моторных и сенсорных волокон схожи, сенсорные волокна имеют значительно более длительные постоянные силы и длительности. [11] В результате сенсорные нервы имеют более длительную постоянную силы и длительности и более низкую реобазу, чем двигательные нервы. [7]
Многие исследования предполагают, что различия в экспрессии пороговых каналов могут объяснять сенсомоторные различия в постоянной времени силы-длительности. [11] Различия в постоянной времени силы-длительности и реобазе нормальных сенсорных и моторных аксонов, как полагают, отражают различия в экспрессии постоянной проводимости Na + . [12] Кроме того, сенсорные аксоны лучше приспосабливаются к длительным гиперполяризационным токам, чем моторные аксоны, что предполагает большую экспрессию гиперполяризующих -активируемых внутренних выпрямительных каналов. [12] Наконец, электрогенная Na + /K + -АТФаза более активна в сенсорных нервах, которые имеют большую зависимость от этого насоса для поддержания мембранного потенциала покоя, чем моторные нервы. [6]
Увеличение постоянной времени силы-длительности наблюдается, когда эта проводимость активируется деполяризацией или гипервентиляцией . [7] Однако демиелинизация , которая обнажает межузловую мембрану с более высокой постоянной времени мембраны, чем у исходного узла, также может увеличить постоянную времени силы-длительности. [13]
Постоянная времени силы-длительности как кожных , так и двигательных афферентов уменьшается с возрастом, и это соответствует увеличению реобазы. [7] Были предложены две возможные причины этого возрастного уменьшения постоянной времени силы-длительности. Во-первых, геометрия нерва может меняться с возрастом из-за потери аксонов и фиброза нейронов . Во-вторых, постоянная проводимость Na + может снижать созревание . Значительное снижение порога для сенсорных и двигательных волокон наблюдалось во время ишемии . [7] Эти снижения порога были, кроме того, связаны со значительным увеличением постоянной времени силы-длительности, что в значительной степени указывает на значительное снижение тока реобазы. Считается, что эти изменения являются результатом неинактивирующих, зависящих от напряжения каналов Na + , которые активны при потенциале покоя .
Дегенерация и регенерация аксонов являются обычными процессами при многих нервных расстройствах. [10] Известно, что вследствие ремоделирования миелина длина междоузлий остается постоянно короткой. [10] Мало что известно о том, как нейроны справляются с увеличенным количеством узлов, за исключением того, что может иметь место компенсаторное увеличение каналов Na +, так что плотность междоузлий восстанавливается. [6] Тем не менее, большинство существующих результатов исследований утверждают, что регенерированные аксоны могут быть функционально неполноценными, поскольку доступ к каналу K + под паранодальным миелином может быть увеличен. [6] [10]
В клинических условиях функция междоузлия может быть изучена только с помощью исследований возбудимости (см. Измерение). Экспериментальные наблюдения, использующие пороговые измерения для оценки возбудимости миелинизированных нервных волокон, показали, что функция регенерированных междоузлий действительно остается постоянно ненормальной, при этом регенерированные двигательные аксоны демонстрируют повышенную реобазу и сниженную хронаксию — изменения, которые согласуются с аномальными свойствами активной мембраны. [10] Эти исследования также определили, что зависимый от активности блок проводимости при миелинизации был вызван гиперполяризацией, а также аномально повышенными токами Na + и повышенной доступностью быстрых выпрямителей K + . [10] Ниже перечислены результаты изменений в возбудимости нервов и, следовательно, постоянной времени силы-длительности, которые наблюдались при нескольких наиболее распространенных нервных расстройствах.
Боковой амиотрофический склероз (БАС) поражает верхние и нижние двигательные системы, с симптомами, варьирующимися от мышечной атрофии , гиперрефлексии и фасцикуляций , все из которых предполагают повышенную аксональную возбудимость. [7] Многие исследования пришли к выводу, что аномально сниженная проводимость K + приводит к аксональной деполяризации , что приводит к аксональной гипервозбудимости и возникновению фасцикуляций. [6] [7] Пациенты с БАС в этих исследованиях продемонстрировали более длительные константы времени силы-длительности и более низкие значения реобазы, чем у контрольных субъектов. [6] [7]
Другое исследование продемонстрировало, что сенсорные реобазы не отличались у пациентов от контрольных субъектов соответствующего возраста, тогда как моторные реобазы были значительно ниже. [7] Обнаружение того, что моторные аксоны имеют как более низкую реобазу, так и большую постоянную времени силы-длительности при БАС, привело к выводу, что моторные нейроны аномально возбудимы при БАС, со свойствами, более похожими на свойства сенсорных нейронов . [7] Изменения в геометрии нерва из-за потери аксонов в периферическом нерве, вероятно, вызывают этот сдвиг реобазы. [7] Логический вывод из имеющихся данных заключается в том, что в состоянии покоя в моторных аксонах пациентов с БАС наблюдается более высокая постоянная проводимость Na +, чем в норме. [7]
Болезнь Мачадо–Джозефа (БМЖ) – это заболевание с триплетными повторами, характеризующееся мозжечковой атаксией , пирамидными знаками , офтальмоплегией и полинейропатией . [6] Поскольку мышечные судороги часто встречаются при БМЖ, считается, что аксональная гипервозбудимость играет определенную роль в заболевании. [6] [10] Исследования показали, что постоянная времени силы-длительности у пациентов с БМЖ значительно больше, чем в контрольной группе, и это соответствует значительному снижению реобазы. [6] [10] В сочетании с результатами по блокаторам Na + -каналов эти данные свидетельствуют о том, что судороги при БМЖ, вероятно, вызваны повышенной постоянной проводимостью Na + -каналов, которая может быть нерегулируемой во время аксональной реиннервации (которая является результатом длительной аксональной дегенерации). [6] [10]
Отличительной чертой диабетической полинейропатии является сочетание аксонального и демиелинизирующего повреждения, которое является результатом механической демиелинизации и дисфункций каналов/насосов. [6] Было обнаружено, что у пациентов с диабетом наблюдается значительно более короткая постоянная времени силы-длительности и гораздо более высокая реобаза, чем у обычных пациентов. [6]
Измерение сенсорной проводимости в дистальных нервных сегментах показало существенные дефекты у пациентов с диабетом, что позволяет предположить, что функция постоянных каналов Na + у диабетиков снижена. [6] Эти эксперименты также открыли новые пути для профилактической эффективности лекарств. Измерение хронаксии и реобазы в суральных сенсорных волокнах выявило умеренное снижение возбудимости у диабетиков, о чем свидетельствует значительное снижение скорости проводимости и хронаксии сенсорных волокон с соответствующим увеличением реобазы. [6] Эти эффекты приписываются снижению активности Na + -K + -АТФазы в аксоне пациентов с диабетом, что приводит к накоплению ионов Na + внутри клеток, а также к последующему снижению трансмембранного градиента Na + . [6]
Болезнь Шарко-Мари-Тута (ШМТ) является наиболее распространенной формой наследственной невропатии и может быть дополнительно подразделена на два типа: Тип 1: демиелинизирующий и Тип 2: аксональный. [6] Измерение хронаксии и реобазы для этих пораженных нервов пришло к выводу, что электрофизиологически пациент с демиелинизирующим (Тип I) ШМТ демонстрирует медленную скорость нервной проводимости , часто сопровождающуюся сниженными амплитудами двигательных и сенсорных потенциалов действия ; более того, аксональный (Тип II) ШМТ можно отнести к нарушенному взаимодействию между шванновскими клетками и аксонами. [6] [10] Изменения в показателях возбудимости, как правило, универсальны и мало различаются между пациентами, и это, вероятно, связано с диффузным распределением демиелинизации, что предполагает измененные свойства кабеля , связанные с короткими междоузлиями. [10]
Мультифокальная моторная нейропатия (ММН) — редкий клинический случай, характеризующийся почти исключительно мышечной слабостью , атрофией и фасцикуляциями . [6] Важной особенностью ММН является то, что константа силы-длительности значительно мала, что соответствует заметному увеличению реобазы. [6] Было показано, что оба измерения нормализуются после внутривенной иммуноглобулиновой терапии. [6]
Хроническая воспалительная демиелинизирующая полинейропатия (ХВДП) является иммунологической демиелинизирующей полинейропатией . [6] [10] В результате увеличения паранодальной емкости из-за демиелинизации у пациентов повышается порог стимуляции, сокращается постоянная времени силы-длительности и увеличивается реобаза. [6] [10]
