Колебания в живых системах ( БИОДИНАМИКА ) Дмитрий Энгелевич Постнов Кафедра биомедицинской физики Саратовского государственного университета Лаборатория биодинамики Международного Научно-исследовательского института нелинейной динамики СГУ

Часть I КОЛЕБАНИЯ БЕЗ ФОРМУЛ

1. ВВЕДЕНИЕ: Колебания как способ существования живой и неживой материи 1. ВВЕДЕНИЕ: Колебания как способ существования живой и неживой материи Вынужденные и свободные колебания Вынужденные и свободные колебания Маятник и кибернетика Маятник и кибернетика «Умная» подкачка энергии порождает автоколебания «Умная» подкачка энергии порождает автоколебания Колебания – это процесс, обладающий той или иной степенью повторяемости

Диссипативные и консервативные Диссипативные и консервативные Линейные и нелинейные Линейные и нелинейные Детерминированные и стохастические Детерминированные и стохастические Сосредоточенные и распределенные Сосредоточенные и распределенные Науки о колебаниях Классификация колебательных систем Теория колебаний Теория колебаний Нелинейная динамика Нелинейная динамика Бифуркационный анализ Бифуркационный анализ Теория катастроф Теория катастроф

2. КОЛЕБАНИЯ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ Клеточный уровень НЕЙРОНЫ

Нейроны К настоящему времени известно более 200 видов нейронов.

Разнообразие форм и основные части нейронов

Нейроны в действии: рефлекторная дуга

Обработка информации как передача колебаний

Виды электрических сигналов в нейронах

Отклик нейрона на стимул (электрический ток) Отклик нейрона на стимул (электрический ток)

Короткий стимул порождает одиночный отклик фиксированной амплитуды (потенциал действия). Короткий стимул порождает одиночный отклик фиксированной амплитуды (потенциал действия). Длительный стимул переводит нейрон в режим непрерывных колебаний Длительный стимул переводит нейрон в режим непрерывных колебаний Природа электрической активности клетки? Какие механизмы рождают колебания?

Клеточная мембрана и встроенные в нее объекты

Насосы и каналы

Полупроницаемая мембрана + диффузия = разность потенциалов Равновесный потенциал по формуле Нернста

При росте приложенного напряжения ток ионов меняет направление!

Каналы для разных ионов открываются при разной величине потенциала и с разной скоростью

Как рождается потенциал действия Натриевые канали быстро открываются и быстро закрываются, они сдвигают потенциал нейрона в плюс Калиевые каналы открываются не сразу и возвращают потенциал к исходному уровню

Кто платит за банкет? (откуда берется энергия?) Окисление глюкозы и жиров - > восстановление АТФ -> работа натрий-калиевых насосов по созданию перепада концентраций ионов внутри и снаружи клетки -> электрические импульсы, генерируемые нейронами.

Как становятся пейсмейкерами

От быстрых колебаний к медленным...

Электрическая активность мышц при движении кошки

Управление локомоцией: нейронные генераторы ритма Управление локомоцией: нейронные генераторы ритма ЛокомоцияЛокомоция (почему мы умеем ходить?)

... и от маленьких нейронных ансамблей – к большим.

Резюме по колебаниям в нейронах Рождаются на уровне одиночной клетки и даже участка мембраны Рождаются на уровне одиночной клетки и даже участка мембраны Положительные и отрицательные обратные связи возникают за счет открывания и закрывания ионных каналов при изменении потенциала клетки Положительные и отрицательные обратные связи возникают за счет открывания и закрывания ионных каналов при изменении потенциала клетки Энергия для электрических колебаний запасается биохимическим путем в виде разности концентраций ионов (натрий, калий, хлор, кальций..) Энергия для электрических колебаний запасается биохимическим путем в виде разности концентраций ионов (натрий, калий, хлор, кальций..)