Рефрактерный период

Рефрактерность является фундаментальным свойством любого объекта автоволновой природы (в особенности, свойством возбудимых сред) не отвечать на раздражитель, если этот объект находится в специфическом состоянии рефрактерности. В общем смысле, рефрактерный период — это характерное время восстановления, т.е. промежуток времени, связанный с движением изображающей точки по левой ветви изоклины $\dot{u} = 0$ (подробнее см. в Реакционно-диффузная модель и Параболическое уравнение).

В электрофизиологии рефрактерным периодом (периодом рефрактерности) называют период времени после возникновения на возбудимой мембране потенциала действия, в ходе которого возбудимость мембраны снижается, а затем постепенно восстанавливается до исходного уровня.

Абсолютный рефрактерный период — интервал, в течение которого возбудимая ткань не способна генерировать повторный потенциал действия (ПД), каким бы сильным ни был инициирующий стимул.

Относительный рефрактерный период — интервал, в течение которого возбудимая ткань постепенно восстанавливает способность формировать ПД. В ходе относительного рефрактерного периода стимул, более сильный, чем тот, который вызвал первый ПД, может привести к формированию повторного ПД.

Причины рефрактерности возбудимой биологической мембраны

Рефрактерный период обусловлен особенностями поведения потенциал-зависимых натриевых и потенциал-зависимых калиевых каналов возбудимой мембраны.

В ходе ПД, потенциал-зависимые натриевые (Na+) и калиевые (К+) каналы переходят из состояния в состояние. У Na+ каналов основных состояний три — закрытое, открытое и инактивированное. У K+ каналов два основных состояния — закрытое и открытое.

При деполяризации мембраны во время ПД, Na+ каналы после открытого состояния (при котором и начинается ПД, формируемый входящим Na+ током) временно переходят в инактивированное состояние, а K+ каналы открываются и остаются открытыми некоторое время после окончания ПД, создавая выходящий К+ ток, приводящий мембранный потенциал к исходному уровню.

В результате инактивации Na+ каналов, возникает абсолютный рефрактерный период. Позже, когда часть Na+ каналов уже вышла из инактивированного состояния, ПД может возникнуть. Однако для его возникновения требуются очень сильные стимулы, так как, во-первых, «рабочих» Na+ каналов всё ещё мало, а во-вторых, открытые К+ каналы создают выходящий К+ ток и входящий Na+ ток должен его перекрыть, чтобы возник ПД — это относительный рефрактерный период.

Расчёт рефрактерного периода

Рефрактерный период можно рассчитать и описать графически, рассчитав предварительно поведение потенциал-зависимых Na+ и К+ каналов. Поведение этих каналов, в свою очередь, описывается через проводимость и вычисляется через коэффициенты трансфера.

Проводимость для калия $G_K$ на единицу площади [S/cm²]

$~G_K = G_{Kmax} n^4$,

$~dn/dt = \alpha_n(1 - n) - \beta_n n$,

где:

$~\alpha_n$ — коэффициент трансфера из закрытого в открытое состояние для K+ каналов [1/s];

$~\beta_n$ — коэффициент трансфера из открытого в закрытое состояние для K+ каналов [1/s];

n — фракция К+ каналов в открытом состоянии;

(1 — n) — фракция К+ каналов в закрытом состоянии

Проводимость для натрия $G_{Na}$ на единицу площади [S/cm²]

$~G_{Na} = G_{Na max} m^3h$,

$~dm/dt = \alpha_m(1 - m) - \beta_m m$,

$~dh/dt = \alpha_h(1 - h) - \beta_h h$,

где:

$~\alpha_m$ — коэффициент трансфера из закрытого в открытое состояние для Na+ каналов [1/s];

$~\beta_m$ — коэффициент трансфера из открытого в закрытое состояние для Na+ каналов [1/s];

m — фракция Na+ каналов в открытом состоянии;

(1 — m) — фракция Na+ каналов в закрытом состоянии;

$~\alpha_h$ — коэффициент трансфера из инактивированного в не-инактивированное состояние для Na+ каналов [1/s];

$~\beta_h$ — коэффициент трансфера из не-инактивированного в инактивированное состояние для Na+ каналов [1/s];

h — фракция Na+ каналов в не-инактивированном состоянии;

(1 — h) — фракция Na+ каналов в инактивированном состоянии.

Последствия рефрактерности возбудимой биологической мембраны

В мышце сердца период рефрактерности длится до 500 мсек., что следует рассматривать как один из факторов, ограничивающих частоту воспроизведения биологических сигналов, их суммацию и скорость проведения. При изменении температуры или действии некоторых лекарственных веществ длительность рефракторных периодов может меняться, чем пользуются для управления возбудимостью ткани, — например, возбудимостью сердечной мышцы: удлинение относительного рефрактерного периода приводит к снижению частоты сердечных сокращений и устранению нарушений ритма работы сердца.

С другой стороны, наличие рефрактерности является также и причиной некоторых жизнеугрожающих аритмий сердца, в основе которых лежит появление в миокарде вихрей возбуждения (автоволновых вихрей), возникающих по механизму re-entry, — и, в частности, возникновение ревербераторов (более характерных для тонких стенок предсердий).

См. также

• Автоволны
• Восстановление
• Кардиофизика

Литература

• Книги