Сам нервный импульс представляет собой комплекс быстрых биохимических и биофизических реакций, происходящих главным образом на клеточной мембране аксона и сопровождающихся небольшим и очень коротким по времени изменением электрического потенциала — потенциалом действия. Хотя в период прохождения нервного импульса и после него наблюдается некоторое повышение уровня метаболизма, для регистрации и измерения все- таки более удобен потенциал действия. Наружная поверхность клеточной мембраны неактивного аксона, как и почти любой другой клетки, характеризуется большим числом положительно заряженных ионов. Поэтому внешняя поверхность аксона по отношению к цитоплазме оказывается положительно заряженной. Более того, внутри клетки имеет место некоторый избыток ионов калия и недостаток ионов натрия. Путем активного транспорта мембрана длительно сохраняет обычное распределение ионов натрия и калия. При прохождении импульса по данному участку аксона происходит мгновенное изменение проницаемости клеточной мембраны — она становится более проницаемой для положительно заряженных ионов, чем это ей свойственно в состоянии покоя. Это позволяет ионам натрия диффундировать внутрь, а ионам калия — наружу в течение того чрезвычайно малого отрезка времени, пока мембрана не восстановит свои исходные свойства. Перемещение этих ионов приводит к образованию потенциала действия, который регистрируется как кратковременное отрицательное изменение потенциала (если расположить электрод у наружной поверхности аксона).

 

 

Длительность этого изменения в данной точке аксона составляет всего около одной миллисекунды, но из-за большой скорости распространения импульса участок аксона, на котором в данный момент происходят эти изменения, занимает несколько миллиметров. За время прохождения одного импульса через мембрану успевает проникнуть лишь очень небольшое количество ионов, поэтому серьезные изменения в распределении ионных концентраций может вызвать только достаточно большая серия импульсов. Тем не менее, важнейшим обстоятельством во всех этих процессах является локальная диффузия ионов через мембрану.

 

Нервные импульсы представляют собой дискретные, кратковременные периоды деполяризации, которые для данного аксона и для данного короткого промежутка времени одинаковы. В течение более долгого периода состояние аксона может значительно измениться, что приведет и к изменению нервных импульсов. По аналогии с вычислительными машинами способность нервных импульсов формироваться по принципу «все или ничего», открытая биологами около 50 лет назад, описывается теперь в терминах электроники; в этом случае говорят о «цифровом», или «двоичном», коде. Аксон либо проводит импульс, либо нет. Промежуточные ступени здесь отсутствуют. Однако частота распространяющихся импульсов может сильно варьировать — от нескольких импульсов в секунду до максимальной величины в тысячу импульсов в секунду. Частота импульсов, проходящих через концевые синапсы аксона, указывает на силу возбуждения. Чем выше частота импульсов, проводимых двигательным нейроном, тем сильнее сокращение иннервируемых им мышечных волокон. Как только эта частота превысит несколько импульсов в секунду, мышца развивает тетаническое сокращение, сила которого возрастает с ростом частоты импульсов в двигательном нейроне. Аналогичным образом сильное раздражение органов чувств вызывает повышение частоты импульсов в соответствующих чувствительных нервах. Общий принцип, справедливый для всех отделов нервной системы, гласит: повышение частоты проводимых аксоном импульсов свидетельствует о нарастающей силе раздражения, при этом наибольшее влияние испытывают синапсы, образуемые окончанием аксона.

 

 

Однако аксоны — это лишь один из элементов нервной клетки. Почти все аксоны оканчиваются синапсом. (Окончания, способные к нейросекреции, имеют лишь немногие аксоны). Когда нервный импульс доходит до синапса, он либо вызывает, либо не вызывает ответного импульса в клетке, с которой образован столь тесный контакт.