Основные направления исследований в физиологии

Впервые запись потенциалов действия от нерва была сделана от периферических нервов экстра клеточным и электродами. Пропускание тока между парой серебряных проводников вызывало потенциал действия, тогда как вторая пара таких же электродов на некотором расстоянии регистрировала ответ. В центральной нервной системе регистрация от нейрона или группы нейронов производится экстраклеточным электродом, который состоит из проводника в изолирующей оболочке или из стеклянного капилляра, заполненного проводящим солевым раствором

С помощью внутриклеточного микроэлектрода мы можем прямо измерять разницу потенциала между наружной и внутренней средой клетки, так же как возбуждение, торможение и возникновение импульсов. Стеклянный микроэлектрод, заполненный солевым раствором и с кончиком менее 0,1 мм в диаметре, вводится в клетку с помощью микроманипулятора Микроэлектроды также используют для пропускания тока через мембрану или внутриклеточной инъекции молекул в цитоплазму.

Часто используется прием измерения мембранного потенциала, известный как пэтч-кламп целой клетки. Стеклянная пипетка со сравнительно большим полированным кончиком придвигается к поверхности клетки, где она прилипает к мембране и образует прочное соединение. После нарушения целостности мембраны внутри пипетки жидкость в пипетке прямо контактирует с внутриклеточной жидкостью.

Неинваэивные методы регистрации нейронной активности

Используя метод оптической регистрации, можно проследить передачу информации в некоторых препаратах мозга без использования электродов. Специально созданные красители, которые связываются с клеточной мембраной, изменяют абсорбцию проходящего света или флуоресценцию при изменениях мембранного потенциала клетки, что можно объективно регистрировать. Существуют и такие неинвазивные методы, как позитронно-эмиссионная томография и магнитно-резонансная томография (МРТ), которые позволяют определить, какие области мозга бодрствующего человека активизируются при предъявлении стимулов или при движении. Получаемое с помощью МРТ изображение показывает области, активируемые при предъявлении зрительного стимула.

Ретинограмма отражает суммарную активность сетчатки, электроэнцефалограмма - суммарную активность мозга. Эти методы в основном используются для диагностики нарушений функций мозга.

Распределение локальных градуальных потенциалов и пассивные электрические свойства нейронов.

В схемах Рамона-и-Кахаля, отображающих клеточное строение мозга, просвечивает идея о том, что освещение сетчатки изменяет активность фоторецепторов и эти изменения отражаются в активности нервных волокон, выходящих из глаза. Для такой передачи информации сигналы должны распространяться не только от клетки к клетке, но и вдоль клетки, от одного ее конца до другого. Как, например, электрический сигнал, генерируемый на контактирующем с фоторецептором конце биполярной клетки, распространяется вдоль нейрона и достигает терминали, которая расположена около ганглиозной клетки?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, полезно рассмотреть соответствующие структуры, которые передают сигналы. Биполярную клетку можно рассматривать как длинный цилиндр, наполненный водным раствором солей (диссоциированных на положительно и отрицательно заряженные ионы) и белков, отделенный от экстраклеточного раствора мембраной. Внутриклеточный и экстраклеточный растворы осмотически одинаковы, но имеют разный ионный состав. Ионы двигаются по специальным ионным каналам, которые образованы белковыми молекулами, пронизывающими мембрану. Электрические и химические стимулы вызывают открытие или закрытие каналов для ионов кальция, натрия, калия и хлора.

В результате различий в концентрации ионов по обе стороны мембраны и из-за избирательности каналов для определенных ионов образуется потенциал покоя клетки. В покое внутреннее содержимое клетки отрицательно заряжено по отношению к наружной среде. Строение и свойства нейрона определяют способность проведения электрических сигналов. Во-первых, внутриклеточная жидкость, цитоплазма (аксоплазма в отростке клетки, аксоне) примерно в 10⁷ раз хуже проводит электричество, чем металлический проводник. Одной из причин является то, что плотность переносчиков заряда, ионов, в несколько раз меньше, чем электронов в металле; кроме того, подвижность ионов невелика. Во-вторых, протекание тока вдоль аксона на большое расстояние осложняется тем, что мембрана не является идеальным изолятором. Соответственно, величина тока, текущего вдоль волокна, быстро уменьшается из-за утечки через ионные каналы мембраны. Тот факт, что нервные волокна очень малы (обычно не более 20 микрон (мкм) в диаметре у позвоночных), еще больше уменьшает количество проводимого тока. Алан Ходжкин дал интересную иллюстрацию этих свойств распространения электрического сигнала.

Если специалист по электричеству посмотрит на нервную систему, то сразу увидит, что передача сигнала под нервным волокном является огромной проблемой. Диаметр аксона в нерве варьирует от 0,1 до 20 микрон. Внутреннее содержимое содержит ионы и является неплохим проводником электричества. Однако, волокно невелико и его продольное сопротивление очень высоко. Простой расчет показывает, что в волокне диаметром 1 микрон и сопротивлением 100 Ом/см удельное сопротивление составит около 10¹⁰ Ом/см. Это означает, что электрическое сопротивление маленького нервного волокна длиной в 1 метр равно сопротивлению 10¹⁰ миль 0,2 мм медной проволоки, то есть проволоки длиной в десять раз больше, чем от Земли до планеты Сатурн.

Таким образом, пассивное проведение электрических сигналов затруднено и ограничено расстоянием 1-2 мм. Кроме того, когда такой сигнал короток, его форма может быть сильно искажена и его амплитуда еще уменьшена емкостью клеточной мембраны. Тем не менее, локальные потенциалы очень важны для вызова и проведения распространяющегося сигнала.

Распространение изменений потенциала в биполярных клетках и фоторецепторах.

Фоторецепторы и биполярные клетки невелики по длине, поэтому локальный градуальный сигнал может эффективно распространяться от одного конца клетки до другого. Электрический сигнал, который отражает попадание света на фоторецептор, генерируется в наружном сегменте палочек или колбочек. Оттуда сигнал пассивно распространяется вдоль клетки до терминали на биполярной клетке. Если бы рецептор или биполярная клетка были длиннее (несколько миллиметров в длину), то локальный потенциал из-за сильного ослабления не достиг бы терминали и не смог влиять на следующую в цепи клетку. Биполярные клетки и фоторецепторы представляют собой исключение из общего правила, которое гласит, что для переноса информации вдоль нейрона необходимы потенциалы действия. Ганглиозные клетки обладают длинным (несколько сантиметров) аксоном и поэтому должны генерировать потенциалы действия для эффективного распространения сигнала в оптический нерв. Записи активности, сделаны от тел клеток. Локальные потенциалы возникают на дендритах в результате синаптических воздействий и пассивно распространяются к месту отведения.

Свойства потенциалов действия

Одним из основных свойств потенциала действия является то, что это взрывное, пороговое событие, возникающее по закону «все или ничего». Потенциал действия возникает в ганглиозной клетке в тех случаях, когда приходящие от биполярных и амакриновых клеток сигналы достигают некоторого критического уровня (порога) мембранного потенциала. У потенциала действия (ПД) есть четко определенный порог, после достижения которого амплитуда и длительность ПД не зависят от параметров стимуляции. Большие по амплитуде стимулы не вызывают большие по амплитуде ПД, равно как и длинные стимулы не приводят к появлению более длинных ПД. Все фазы ПД должны быть полностью закончены до начала возникновения следующего ПД. После каждого ПД существует период вынужденного молчания (рефрактерный период), во время которого инициация ПД невозможна. Частота ритмических ПД определяется рефрактерным периодом.

Каждый импульс вызывает электрические токи, распространяющиеся пассивно перед ним по аксону. Хотя результирующий локальный потенциал быстро угасает с расстоянием, он все же превышает порог. Таким образом, ПД производит электрический стимул области аксома, в которую будет распространяться. Наиболее быстрые ПД распространяются по волокнам большого диаметра со скоростью около 120 метров в секунду (430 км/час), что и определяет возможность быстрой передачи информации на большие по сравнению с размером тела клетки расстояния.

ПД как нейронный код

Учитывая, что каждый ПД имеет фиксированную амплитуду, неясно, в чем же отражается величина стимула. Интенсивность кодируется частотой ПД. Более эффективный зрительный стимул вызывает большую деполяризацию и, как следствие, более высокую частоту генерации ПД в ганглиозной клетке Такое обобщение впервые было сделано Е. Эдрианом, который показал, что частота ПД в чувствительном окончании кожного нерва зависит от интенсивности стимула. Кроме того, он обнаружил, что более сильный стимул активирует большее количество чувствительных волокон.

Синапсы: области межклеточной коммуникации

Фоторецепторы влияют на биполярные клетки, которые влияют на ганглионарные клетки и так далее, что приводит к восприятию зрительного образа. Структура, через которую одна клетка передает информацию другой, известна как синапс. Механизм синаптической передачи представляет собой основную тему исследований в современной нейробиологии. Через синаптические взаимодействия нейроны, подобные ганглиозной клетке, интегрируют информацию о сигналах во многих фоторецепторах, производя на выходе новый собственный информационный сигнал для нервной сети.

Химически опосредованная синаптическая передача

Пресинаптическая терминаль фоторецептора отделена от биполярной клетки щелью, заполненной экстраклеточной жидкостью. Это пространство слишком велико для прохождения токов, генерируемых фоторецептором. Вместо этого терминаль фоторецептора выделяет медиатор (иначе, трансмиттер или нейропередатчик), который хранится в пресинаптических пузырьках. Медиатор (в данном случае глутамат) диффундирует через синаптическую щель и реагирует со специфическими молекулами белка (рецепторами), которые находятся в постсинаптической мембране биполярной клетки. Следует отличать «хеморецепторы», реагирующие на молекулы, и «сенсорные рецепторы», реагирующие на внешние стимулы, например, фоторецептор. Медиаторы, синтезируемые и выделяемые нейроном, и рецепторы мембраны могут быть идентифицированы и визуализованы некоторыми методиками, включающими мечение антителами.

Активация молекул рецепторов биполярной клетки глутаматом приводит к появлению градуального локального потенциала, который распространяется по нейрону. Чем больше медиатора выделяется, тем выше его концентрация в щели, тем больше рецепторов активируется и тем больше локальный потенциал. Все эти события происходят быстро, примерно за 1 мс. Основные принципы синаптической передачи были впервые описаны Катцом, Куффлером и соавторами, которые использовали ответы мышечных рецепторов как очень чувствительную биомодель с хорошим разрешением по времени для измерения выделения медиатора.

Возбуждение и торможение

Особенностью синаптической передачи, продемонстрированной на примере взаимодействия между фоторецептором и биполярной клеткой, является возможность торможения или возбуждения в зависимости от набора рецепторов в постсинаптической клетке. Например, один из видов глутаматных рецепторов на биполярной клетке реагирует на глутамат возбуждением (деполяризацией), которое распространяется до терминалей на другом конце клетки и приводит к высвобождению медиатора. Другой класс биполярных клеток содержит глутаматные рецепторы другого вида, которые реагируют торможением. В этом случае события происходят в той же последовательности, но приводят к уменьшению выброса медиатора.

Во всех нейронах нервной системы соотношение возбудительных и тормозных входов определяет возможность достижения порога инициации потенциала действия. Например, ганглиозная клетка получает и возбудительные, и тормозные входы. Если порог преодолен, то новый сигнал в виде ПД будет послан к высшим центрам, если нет, то сигнала не будет. В моторных клетках спинного мозга, например, возбудительные и тормозные влияния от разных волокон определяют, будет или нет произведено движение, контролируемое данными мотонейронами. Подобные мотонейроны получают около 10000 входов от волокон. Эти волокна выделяют медиаторы, которые приближают или отдаляют от порога возникновения ПД мембранный потенциал. Отдельные клетки в мозжечке получают более чем 100000 входов.

Электрическая передача

Хотя основной способ передачи информации осуществляется через химическую передачу, некоторые клетки в сетчатке и других областях нервной системы связаны специализированными соединениями, в которых происходит электрическая передача информации. Пре- и постсинаптические мембраны в таких соединениях близко расположены и связаны каналами, которые соединяют внутриклеточное содержимое двух клеток. Такое соединение позволяет локальным потенциалам и даже потенциалам действия прямо распространяться от клетки к клетке без химического передатчика. Продукты метаболизма и красители также могут распространяться от клетки к клетке. В сетчатке есть так называемые горизонтальные клетки, которые электрически связаны таким способом. Благодаря этому свойству градуальные потенциалы могут распространяться от одной к другой горизонтальной клетке, сильно влияя на процесс переработки зрительной информации в сетчатке. Электрические синапсы обнаружены и между другими клетками тела, например между эпителиальными клетками, мышечными волокнами кишечника и сердца.

Химически опосредованная синаптическая передача информации очень лабильна. Основные изменения происходят в количестве медиатора, выделяемого при достижении пресинаптической терминали потенциалом действия или градуальным потенциалом. Фоторецептор сетчатки может служить примером: количество медиатора глутамата, выделяемого палочкой или колбочкой в ответ на стандартный световой стимул, может быть увеличено или уменьшено в зависимости от обратной связи на терминаль от горизонтальных клеток, которые получают входы от фоторецепторов. Эта цепь обратной связи играет критическую роль в адаптации глаза к различным уровням освещения.

Другие механизмы, влияющие на величину выброса медиатора, зависят от предыстории импульсной активности. Во время или после залпа импульсов в нейроне количество выделяемого им медиатора может существенно увеличиваться или уменьшаться в зависимости от частоты и длительности предшествующей импульсной активности. Модуляция эффективности может происходить и в постсинапсе. Долговременная и кратковременная пластичность находится в фокусе внимания нейробиологов.

Интегративные механизмы

Каждый нейрон в центральной нервной системе учитывает все приходящие влияния и на их основе создает свое импульсное «послание» с новым значением. Термин интеграция впервые был применен Ч. Шеррингтоном, который также ввел в обиход термин «синапс».

Ганглиозные клетки сетчатки опять же могут служить примером способности к интеграции. С. Куффлер впервые показал, что ганглиозные клетки отвечают наиболее сильно на небольшое световое или темновое пятно размером в несколько рецепторов в определенной области сетчатки. Такое пятно вызывает отчетливый залп потенциалов действия Большое пятно, освещающее ту же область сетчатки, менее эффективно. Это происходит потому, что другая группа фоторецепторов, расположенная вокруг активированных, также реагирует на свет. Действие этих фоторецепторов тормозит активность ганглиозных клеток Суммация возбуждающего действия маленького пятна и тормозный эффект расположенных вокруг рецепторов приводят к тому, что ганглиозные клетки относительно слабо чувствительны к диффузному свету.

Таким образом, значение сигнала ганглиозной клетки не просто отражает «свет» или «темноту», но и соотносится с паттерном кон трастности светового стимула в поле зрения. Такой сложный сигнал возникает из-за того, что на каждую ганглиозную клетку приходят сигналы от многих фоторецепторов. Специфические связи, опосредованные биполярными, горизонтальными и амакриновыми клетками, определяют специфический паттерн светового стимула, оптимальным образом активирующий каждую конкретную ганглиозную клетку.

Сложность информации, передаваемой потенциалами действия

Еще более сложную информацию о зрительных стимулах несут ПД нервных клеток новой коры, получающих сигнал через три переключения после сетчатки. Появление ПД в нейронах коры зависит от паттерна освещения сетчатки, который может быть специфичным для разных клеток. Например, один тип клеток избирательно отвечает на полоску света специфической ориентации (вертикальная, горизонтальная или наклонная), которая движется в определенном направлении в определенной части поля зрения. Параметры разрядов такой клетки не зависят от диффузного освещения или от появления полоски неоптимальной ориентации, или от движения в неправильном направлении. Таким образом, ПД в таком нейроне дают точную информацию о зрительном стимуле в высшие центры мозга. Подобная детализация значения, передаваемая стереотипными ПД, может быть объяснена точностью образования связей между клетками низкого порядка с кортикальными клетками и способом интеграции входных сигналов (суммация градуальных потенциалов).

Переработка информации может быть представлена в следующем виде:

сигнал фоторецептора несет информацию об изменении интенсивности освещения в данной области поля зрения;

сигнал ганглиозной клетки несет информацию о контрасте;

сигнал кортикального нейрона несет информацию о наличии ориентированной полоски света.

Сложная интеграция информации происходит в других сенсорных системах. Например, направление и локализация механического стимула кончиков пальцев служат избирательным стимулом для конкретных нейронов той области неокортекса, в которой происходит переработка информации о направлении тактильной стимуляции.

11. Синапс: строение, классификация, синаптические токи, процесс передачи импульса

Термин и понятие «синапс», «синаптическая передача» был введен в физиологию Ч. Шеррингтоном. Он, исследуя деятельность ЦНС, предположил еще в 1897 г., что нейроны между собой сообщаются с помощью специального механизма, который он и назвал синаптическим. Последующие годы подтвердили эту идею.

Синаптическая передача

Классификация синапсов

Синапс - это морфофункциональное образование ЦНС, которое обеспечивает передачу сигнала с нейрона на другой нейрон или с нейрона на эффекторную клетку (мышечное волокно, секреторную клетку). Все синапсы ЦНС можно классифицировать следующим образом.

1. По локализации: центральные (головной и спинной мозг) и периферические (нервно-мышечный, нейросекреторный синапс вегетативной нервной системы). Центральные синапсы можно в свою очередь разделить на аксо-аксональные, аксо-дендритические (дендритные), аксо-соматические, дендро-дендритические, дендро-соматические и т.п. Согласно Г. Шенсрду, различают реципрокные синапсы, последовательные синапсы и синаптические гломерулы (различным способом соединенные через синапсы клетки).

2. По развитию в онтогенезе: стабильные (например, синапсы дуг безусловного рефлекса) и динамичные, появляющиеся в процессе индивидуального развития.

3. По конечному эффекту: тормозные и возбуждающие.

4. По механизму передачи сигнала: электрические, химические, смешанные.

5. Химические синапсы можно классифицировать:

а) по форме контакта - терминальные (колбообразное соединение) и преходящие (варикозное расширение аксона);

б) по природе медиатора - холинергические (медиатор - ацетилхолин, АХ), адренергическис (медиатор - норадреналин, НА), дофаминергические (дофамин), ГАМК-ергические (медиатор - гаммааминомасляная кислота), глицинергические, глутаматергические, аспартатсргические, пептидергические (медиатор - пептиды, например, вещество Р), пуринергические (медиатор - АТФ).

Электрические синапсы. В настоящее время признают, что в ЦНС имеются электрические синапсы. С точки зрения морфологии электрический синапс представляет собой щелевидное образование (размеры щели до 2 нм) с ионными мостиками-каналами между двумя контактирующими клетками. Петли тока, в частности при наличии потенциала действия (ПД), почти беспрепятственно перескакивают через такой щелевидный контакт и возбуждают, т.е. индуцируют генерацию ПД второй клетки. В целом, такие синапсы (они называются эфапсами) обеспечивают очень быструю передачу возбуждения. Но в то же время с помощью этих синапсов нельзя обеспечить одностороннее проведение, т. к. большая часть таких синапсов обладает двусторонней проводимостью. Кроме того, с их помощью нельзя заставить эффекторную клетку (клетку, которая управляется через данный синапс) тормозить свою активность. Аналогом электрического синапса в гладких мышцах и в сердечной мышце являются щелевые контакты типа нексуса.

Химические синапсы. По строению химические синапсы представляют собой окончания аксона (терминальные синапсы) или его варикозную часть (проходящие синапсы), которая заполнена химическим веществом - медиатором. В синапсе различают пресинаптический элемент, который ограничен пресинаптической мембраной, постсинаптический элемент, который ограничен постсипаптической мембраной, а также внесинаптическую область и синаптическующель, величина которой составляет в среднем 50 нм. В литературе существует большое разнообразие в названиях синапсов. Например, синаптическая бляшка - это синапс между нейронами, концевая пластинка - это постсинаптическая мембрана мионеврального синапса, моторная бляшка - это пресинаптичсское окончание аксона на мышечном волокне.

Потенциал действия, пришедший по пресинаптическому волокну к синапсу, вызывает деполяризацию мембраны, которая включает кальциевый насос, и ионы кальция поступают в синапс. Попадая в цитоплазму синаптического окончания, кальций связывается с белками оболочки синаптических везикул (пузырьков, в которых хранятся медиаторы), что приводит к выделению медиаторов в синаптическую щель, которая отделяет мембрану одного нейрона от мембраны другого. Так возбуждение (электрический потенциал действия) нейрона в синапсе превращается из электрического импульса в импульс химический, т. е. каждое возбуждение нейрона сопровождается выбросом в окончании его аксона порции биологически активного вещества - медиатора. Далее молекулы медиатора связываются со специальными белковыми молекулами, которые находятся на мембране другого нейрона. Эти молекулы называются рецепторами. Рецепторы устроены уникально и связывают только один тип молекул (которые подходят как "ключ к замку"). Рецепторы - белковые структуры, которые являются интегральными белками плазматической мембраны. Они синтезируются в рибосомах эндоплазматического ретикулюма клетки, затем встраиваются в мембраны. Функциональная активность синапса зависит от количества рецепторов, а также от их сродства к медиатору (лиганду). Искусственно созданные лиганды, обладающие высоким специфическим (т. е. действующим только на определенный тип либо подтип рецептора) сродством к рецепторам, способны вызывать такой же функциональный ответ клетки, как и нативные медиаторы. Рецептор состоит из двух частей. Одну можно назвать "узнающим центром", другую - "ионным каналом". Если молекулы медиатора заняли определенные места (узнающий центр) на молекуле рецептора, то ионный канал открывается и ионы начинают входить в клетку (ионы натрия) или выходить (ионы калия) из клетки. Другими словами, через мембрану протекает ионный ток, который вызывает изменение потенциала на мембране. Этот потенциал получил название постсинаптического потенциала. В зависимости от характера открытых ионных каналов возникает возбудительный (открываются каналы для ионов натрия и калия) постсинаптсинаптический потенциала (ВПСП) или тормозной (открываются каналы для ионов хлора) постсинаптический потенциал (ТПСП). На мембране одного нейрона могут одновременно находиться два вида синапсов: тормозные и возбудительные. Все определяется устройством ионного канала мембраны. Мембрана возбудительных синапсов пропускает как ионы натрия, так и ионы калия. В этом случае мембрана нейрона деполяризуется. Мембрана тормозных синапсов пропускает только ионы хлора и гиперполяризуется. Очевидно, что если нейрон заторможен, потенциал мембраны увеличивается (гиперполяризация). Таким образом, нейрон благодаря воздействию через соответствующие синапсы может возбудиться или прекратить возбуждение, затормозиться. Все эти события происходят на соме и многочисленных отростках дендрита нейрона (на последних находится до нескольких тысяч тормозных и возбудительных синапсов).

После каждого проведения импульса медиаторы разрушаются специфическими ферментами либо происходит их обратный захват в пресинаптическое окончание. В синапсах существует широко распространенное в физиологии явление обратной связи: медиатор из синаптической щели может взаимодействовать с рецепторами на пресинаптической мембране (ауторецепторами), что приводит к прекращению выброса медиатора. Активность синапса может модулироваться действием модулирующих нейромедиаторов, рецепторы которых располагаются на аксоне или даже дендритах и теле синапса. Если через синапс проходит много импульсов, то рецепторы могут уменьшить свою чувствительность к нейромедиатору (это свойство рецепторов обеспечивает процессы адаптации на нейрональном уровне). Важно помнить, что между химической природой синапса и знаком его синаптического действия (возбуждающий или тормозной) нет однозначной зависимости: один и тот же медиатор может оказывать как тормозное, так и возбуждающее действие. Знак синаптического действия определяется свойствами постсинаптической мембраны, т. е. составом рецепторов, которые могут разным образом реагировать с медиатором и контролировать проводимость разных ионных каналов.

12. Пластичность синапсов: гомосинаптическая и гетеросинаптическая модуляция, потенциация, облегчение, отдача, пространственная и временная суммация

Пластичность - это способность объекта (например, синапса) изменять свою структуру и свойства под влиянием предыдущей деятельности так, что изменяется его последующая деятельность.

Пластичность синапсов - это способность синапсов под влиянием своей деятельности изменять свою структуру, свойства и последующую деятельность, т.е. способность перестраиваться под влиянием нагрузки.

Пластичность - это важнейшее свойство живых образований, которое принципиально отличает их от существующих технических устройств. Важнейшим механизмом пластичности является фосфорилирование белков, которое осуществляют специальные ферменты - киназы. Киназы (протеинкиназы) прицепляют к белкам ионных каналов фосфаты от АТФ - и от этого ионные каналы меняют свои свойства. Следовательно, меняется проницаемость синаптической мембраны для ионов и синапс начинает работать по-другому, не так, как прежде. Например, ионные каналы могут от этого фосфорилирования перейти в открытое состояние и тогда синапс будет сильнее деполяризоваться и будет находиться постоянно в состоянии повышенного возбуждения и повышенной возбудимости. Иными словами, спинапс изменится, а это и есть проявление пластичности.

С помощью разных вариантов стимуляции можно как усиливать, так и ослаблять одни и те же синапсы.

Пластичность синапсов обеспечивает важнейшие физиологические процессы нервной системы:

1. Научение.

2. Память.

3. Выработку рефлексов.

4. Доминанту.

Именно за счёт своей пластичности синапсы могут "учиться" и переходить в более возбуждённое состояние (сенситизация) или в более заторможенное (привыкание).

Пространственная и временная суммация основана на свойстве каждого нейрона в центре к суммации как возбуждения, так и торможения. Поскольку каждый нервный центр имеет много параллельно расположенных афферентных или входных волокон от рецептивного поля рефлекса, слабые раздражения нескольких участков рецептивного поля, в отдельности не способные реализовать рефлекс, вызывают в нейронах центра несколько ВПСП, которые суммируются, приводя к формированию на мембране нервной клетки потенциалов действия, распространяющихся по эфферентным проводникам, вызывая рефлекторную реакцию. Это явление называют пространственной суммацией. При увеличении частоты афферентных сигналов в единицу времени амплитуда ВПСП нарастает до критического уровня из-за повышения эффективности синаптического проведения, что также вызывает возбуждение нейронов и рефлекторный ответ на слабые частые раздражения. Это явление называют временной суммацией;

Пластичность нервных центров -- способность перестраивать функциональные свойства для более эффективной регуляции функций, осуществления новых, ранее несвойственных этому центру рефлексов или восстановления функций после повреждения части нейронов центра. Пластичность обеспечивает изменение эффективности и направленности связей между нервными клетками, является рабочим механизмом обучения. В основе пластичности лежат функциональные особенности синапсов и мембран нейронов («тренировка» синапсов, посттетаническая потенциация, периодичность функционирования синапсов и нейронов, пространственная и временная суммация постсинаптических потенциалов), а также наличие многочисленных дублирующих систем нейронов и нервных волокон;

Совершенно очевидно, что можно выделить две группы синаптических механизмов, ответственные за изменения эффективности синаптической передачи: пресинаптические и постсинаптические. В первом случае эффективность синаптической передачи может зависеть от количества медиатора, высвобождаемого пресинаптическими окончаниями в ответ на поступление в них ПД. Во втором случае могут происходить какие-то изменения постсинаптических структур, при которых меняется степень деполяризации в ответ на действие определенного количества медиатора. О постсинаптической пластичности известно сравнительно мало, хотя в некоторых тканях она и была обнаружена. Поэтому мы ограничимся лишь обсуждением пресинаптических механизмов пластичности.

Существуют две основные группы пресинаптических механизмов, которые могут приводить к изменениям эффективности синаптической передачи. В первом случае изменения свойств пресинаптического окончания возникают в связи с его собственной активностью, если эта активность высока; подобные изменения обычно бывают кратковременными. Такие механизмы носят общее название гомосинаптической модуляции. Во втором случае свойства пресинаптических окончаний изменяются под действием модулятора, высвобождаемого другим, тесно прилегающим нервным окончанием. Подобные сдвиги обычно бывают более долговременными. Механизмы такого рода называются гетеросинаптической модуляцией.

Гомосинаптическая модуляция

Облегчение

Изменение эффективности синаптической передачи, происходящее при высокой активности синапса, можно пронаблюдать в следующем опыте. Представим себе, что мы осуществляем микроэлектродное отведение от области частично кураризованной концевой пластинки скелетной мышцы лягушки и подаем на двигательное волокно два стимула, причем второй из этих стимулов следует за первым через различные промежутки времени (рис. 6-42). Если второй постсинаптический потенциал возникает до окончания первого, то эти потенциалы будут, естественно, суммироваться; однако амплитуда этого второго потенциала будет больше, чем должно было бы быть в результате простой суммации. Если второй постсинаптический потенциал возникает вскоре после окончания первого, его величина будет больше, чем первого. В двигательной концевой пластинке это явление, получившее название синаптического облегчения, длится 100-200 мс.

По имеющимся данным облегчение обусловлено скорее всего тем, что поступление в пресинаптическое волокно первого импульса сопровождается повышением в нем концентрации свободных ионов Са2+, которое сохраняется непродолжительное время. В результате, когда в волокно поступает второй импульс и тоже вызывает увеличение [Ca2+]i, эта новая «порция» ионов Са2+ суммируется с тем количеством этих ионов, которое осталось от первого возбуждения. Поскольку же выделение медиатора связано степенной зависимостью с внутриклеточной концентрацией Са2+ в области пресинаптических участков высвобождения этого медиатора (разд. 6.8.2), небольшое повышение [Са2+]i приводит к существенному увеличению количества медиатора, высвобождаемого в ответ на второй импульс. Экспериментальное подтверждение этой гипотезы было получено Бернардом Катцем и Рикардо Миледи (1968). Эти исследователи подводили микроэлектрод как можно ближе к области двигательной концевой пластинки мышцы лягушки, погруженной в бескальциевый раствор Рингера, и через этот микроэлектрод посылали «залпы» Са2+ (рис. 6-43, А). Оказалось, что ПКП возникает лишь тогда, когда ко времени прихода в пресинаптическое окончание импульса во внеклеточной среде имеются ионы Са2+ (рис. 6-43, Б, В). Катц и Миледи обнаружили также, что облегчение постсинаптического потенциала в ответ на второй стимул было более выраженным, если Са2+ подавался из микроэлектрода во внеклеточную среду одновременно с поступлением первого ПД (рис. 6-43, Д). Если первый кальциевый залп подавался после поступления первого импульса в окончание, существенного облегчения не наблюдалось (рис. 6-43, Г). Значит, для того чтобы произошло облегчение, к моменту прихода импульса в пресинаптическое волокно в среде должен содержаться кальций, который может войти в это волокно. Как мы уже говорили, по-видимому, некоторая часть ионов Са2+, вошедших в волокно при возбуждении, остается в нем и суммируется с тем количеством кальция, который поступает в ответ на второй импульс. В результате концентрация Са2+ в волокне увеличивается, высвобождается больше медиатора, а следовательно, повышается постсинаптический потенциал.

Рис. 6.43 Зависимость синаптического облегчения от наличия во внеклеточной среде ионов кальция к моменту поступления в пресинаптическое волокно первого ПД. А. Схема опыта по кратковременному повышению концентрации Са2+ в области концевой пластинки. Б.-Д. Черные прямоугольники соответствуют времени импульсного введения кальция. Видно, что облегчение происходит лишь в том случае, когда кальций присутствует к моменту поступления первого ПД в пресинаптическое волокно. (Katz, Miledi, 1968.)

Посттетаническая потенциация

Если подвергать двигательный аксон лягушки тетаническому, т. е. высокочастотному, раздражению, то синаптическое проведение в нервно-мышечном соединении после такого раздражения будет сначала подавлено, но затем тестирующие стимулы, подводимые через различные промежутки времени, будут потенцироваться (т. е. амплитуда ответов будет увеличиваться). Такаяпотенциация длится до нескольких минут (рис. 6-44). Это еще один пример того, как при высокой активности синапса происходят изменения эффективности синаптического проведения на пресинаптическом уровне. Посттетаническаяпотенциация в той или иной форме встречается и в других синапсах. На рис. 6-44, А приведены ПКП, для инициации которых вначале использовали низкочастотное раздражение (один стимул через каждые 30 с). Затем частоту раздражений в течение 20 с увеличили до 50 в секунду и далее снова подавали несколько тестирующих стимулов с интервалами в 30 с. В растворе Рингера с нормальным содержанием кальция после тетанизирующего раздражения сначала возникала посттетаническая депрессия ПКП. Вслед за этой депрессией наблюдалось быстрое увеличение амплитуды ПКП-посттетаническая потенциация. Величина ПКП возвращалась к исходному уровню примерно через 10 мин. В растворе Рингера с пониженной концентрацией кальция (рис. 6-44, Б) депрессия не развивалась, а посттетаническая потенциация прекращалась раньше.

Эти данные были объяснены следующим образом. При высокочастотном раздражении в условиях нормального содержания кальция во внеклеточной среде (рис. 6-44, А) кванты медиатора выделяются быстрее, чем вырабатываются, поэтому непосредственно после такой стимуляции уменьшается количество медиатора, высвобождающегося в ответ на раздражение. Далее медиатор снова образуется, и посттетаническая депрессия прекращается. Кроме того, во время тетанизирующего раздражения Са2+, входящий в окончание при его возбуждении, накапливается в нем и занимает соответствующие места связывания; в дальнейшем он постепенно выводится с помощью активного транспорта. Считается, что посттетаническаяпотенциация и ее медленный спад обусловлены именно таким повышением и последующим снижением внутриклеточной концентрации кальция. В растворе Рингера с низким содержанием Са2+ (рис. 6-44, Б)количество этих ионов в окончании снижается, и поэтому уменьшается число выделяющихся синаптических пузырьков; в связи с этим запасы медиатора истощаются в меньшей степени. В результате посттетаническая депрессия не возникает, а посттетаническая потенциация достигает такой же величины, как и при нормальном содержании кальция, однако она быстрее спадает - возможно, из-за того, что кальций выкачивается из окончания быстрее, поскольку его содержание во внеклеточной среде понижено.

Рис. 6.44 Посттетаническая депрессия и посттетаническая потенциация ПКП лягушки. Для того чтобы снизить амплитуду постсинаптических потенциалов и избежать генерации ПД, использовался кураре, А. В растворе Рингера с нормальной концентрацией Са2+ (1,8 мМ) после высокочастотной стимуляции двигательного нерва сначала наблюдается депрессия ПКП, а затем - задержанная потенциация. Б. Когда концентрация Са2+ во внеклеточной среде снижается до 0,225 мМ, наблюдается лишь потенциация. (Rosenthal, 1969.)

Гетеросинаптическая модуляция

В некоторых синапсах на выделение медиатора из пресинаптических окончаний под действием ПД влияют естественные нейрогуморальные агенты (нейромедиаторы или нейрогормоны). К этим так называемым модуляторам относятся серотонин (у моллюсков и позвоночных), октопамин (у насекомых), норадреналин и г-аминомасляная кислота (ГАМК) (у позвоночных).

Кроме того, было показано, что для нервных клеток позвоночных роль модуляторов могут играть некоторые опиаты (например, эндорфин) и эндогенныйопиоидэнкефалин. Полагают, что, когда эти вещества попадают в кровоток или высвобождаются нервными окончаниями вблизи синапса, они в естественных условиях могут модулировать выделение медиатора из пресинаптических окончаний. В случае если они выделяются рядом с пресинаптическим окончанием, говорят о гетеросинаптическом действием, поскольку при этом проведение через синапс изменяется под действием добавочного (третьего) нейрона, из которого выделяется модулятор, изменяющий количество высвобождаемого из пресинаптического окончания медиатора. В качестве уже знакомого нам примера гетеросинаптического влияния можно привести пресинаптическое торможение (разд. 6.6.6), при котором снижается количество выделяемого медиатора. В тех же случаях, когда, напротив, количество медиатора возрастает, говорят о гетеросинаптическом облегчении.

В работах по исследованию механизма синаптической модуляции были получены данные о том, что модуляторы влияют на количество ионов кальция, входящее в нервные окончания в ответ на ПД. Часто синаптические модуляторы не вызывают непосредственно открывание (или закрывание) каких-либо каналов. В типичном случае они влияют (т.е. оказывают модулирующее действие) на реакцию каких-то каналов на другие агенты. Так, модуляторы, как правило, увеличивают или снижают ток, текущий через популяцию пресинаптических каналов, активируемых потенциалом действия. В обычном случае этот механизм опосредуется системой внутриклеточных посредников, влияющих на ионные каналы. Что же касается «классических» медиаторов, то они являются своего рода химическими стимуляторами, непосредственно вызывающими открывание мембранных каналов.

Лучше всего изучена гетеросинаптическая модуляция в синапсах брюхоногого моллюска морского зайца, или аплизии (Aplysiacalifornica) (см. рис. 8-4). Это животное широко используется в опытах по изучению пластичности нервных структур. Эрик Кэндел и его сотрудники обнаружили, что проведение возбуждения между некоторыми идентифицированными нейронами ЦНС аплизии усиливается в ходе сенситизации (разд. 8.8). Это усиление оказалось обусловленным гетеросинаптическим облегчением выделения медиатора под действием модулятора, высвобождаемого в области синапса (рис. 6-45, А, Б). Полагают, что этот модулятор влияет на пресинаптические окончания путем повышения концентрации в них внутриклеточного посредника - циклического аденозин-3',5'-монофосфата (сАМР, разд. 9.2.1). Показано, что этот посредник влияет на открывание особого калиевого канала - так называемого канала S. Конкретный механизм заключается в том, что при повышении уровня сАМР в пресинаптическом нейроне эти каналы закрываются и вероятность их открывания при данном значении мембранного потенциала снижается (рис. 6-45, В). Поскольку же калий, выходящий через S-канал, по-видимому, участвует в фазе реполяризации ПД, закрывание этих каналов приведет к «удлинению» потенциала действия в пресинаптическом окончании, и в результате через потенциалзависимые кальциевые каналы в это окончание входит больше ионов Са2+ (рис. 6-45, Г). Считается, что такое опосредованное увеличение времени входа Са2+ служит основной причиной повышения количества высвобождаемого медиатора при гетеросинаптическом облегчении в данном синапсе.

Рис. 6.45 Гетеросинаптическое облегчение у аплизии.

А. Схема нейронных связей, благодаря которым проведение в возбуждающем синапсе между сенсорным нейроном (СН) и мотонейроном (МН) модулируется третьим, облегчающим интернейроном (ОИ). Б. ПД, возникающий в сенсорном нейроне (верхние кривые), вызывает возбуждающий постсинаптический потенциал в мотонейроне (нижние кривые). При возбуждении облегчающего интернейрона длительность ПД в сенсорном нейроне увеличивается и наступает облегчение проведения, о чем свидетельствует повышенная реакция мотонейрона. (Kandelelal., 1983.) В. После введения в сенсорные нейроны сАМР активность калиевых S-каналов (регистрируемая методом локальной фиксации на сенсорном нейроне) снижается. Г. Полагают, что модулятор, выделяющийся облегчающим интернейроном, связывается с рецепторами на сенсорном нейроне, и это приводит к повышению содержания в этом нейроне с AMР. В результате этого снижается число калиевых S-каналов, открывающихся в ответ на потенциал действия, и ПД удлиняется. При этом кальциевые каналы в окончаниях чувствительных нейронов остаются открытыми в течение более продолжительного времени и, следовательно, приток Са2+ в эти окончания увеличивается. Это и приводит к облегчению проведения

13. Медиаторы: распределение в нервной системе и синапсах, рецепторы, классификация, влияние на функционирование организма

Из вышеизложенного понятно, какое значение в функциях нервной системы играют медиаторы. В ответ на приход нервного импульса к синапсу происходит выброс медиатора; молекулы медиатора соединяются (комплементарно - как «ключ к замку») с рецепторами постсинаптической мембраны, что приводит к открыванию ионного канала или к активированию внутриклеточных реакций. Примеры синаптической передачи, рассмотренные выше, полностью соответствуют этой схеме. Вместе с тем благодаря исследованиям последних десятилетий эта довольно простая схема химической синаптической передачи значительно усложнилась. Появление иммунохимических методов позволило показать, что в одном синапсе могут сосуществовать несколько групп медиаторов, а не один, как это предполагали раньше. Например, в одном синаптическом окончании одновременно могут находиться синаптические пузырьки, содержащие ацетилхолин и норадреналин, которые довольно легко идентифицируются на электронных фотографиях (ацетилхолин содержится в прозрачных пузырьках диаметром около 50 нм, а норадреналин - в электронно-плотных диаметром до 200 нм). Кроме классических медиаторов, в синаптическом окончании могут находиться один или несколько ней-ропептидов. Количество веществ, содержащихся в синапсе, может доходить до 5-6 (своеобразный коктейль). Более того, медиаторная специфичность синапса может меняться в онтогенезе. Например, нейроны симпатических ганглиев, иннервирующие потовые железы у млекопитающих, исходно норадренергичны, но у взрослых животных становятся холинергичными.

В настоящее время при классификации медиаторных веществ принято выделять: первичные медиаторы, сопутствующие медиаторы, медиаторы-модуляторы и аллостерические медиаторы. Первичными медиаторами считают те, которые действуют непосредственно на рецепторы постсинаптической мембраны. Сопутствующие медиаторы и медиаторы-модуляторы могут запускать каскад ферментативных реакций, которые, например, фосфорилируют рецептор для первичного медиатора. Аллостерические медиаторы могут участвовать в кооперативных процессах взаимодействия с рецепторами первичного медиатора.

Долгое время за образец принимали синаптическую передачу по анатомическому адресу (принцип «точка - в точку»). Открытия последних десятилетий, особенно медиаторной функции нейропептидов, показали, что в нервной системе возможен принцип передачи и по химическому адресу. Другими словами, медиатор, выделяющийся из данного окончания, может действовать не только на «свою» постсинаптическую мембрану, но и за пределами данного синапса - на мембраны других нейронов, имеющих соответствующие рецепторы. Таким образом, физиологическая реакция обеспечивается не точным анатомическим контактом, а наличием соответствующего рецептора на клетке-мишени. Собственно этот принцип был давно известен в эндокринологии, а исследования последних лет нашли ему более широкое применение.

Все известные типы хеморецепторов на постсинаптической мембране разделяют на две группы. В одну группу входят рецепторы, в состав которых включен ионный канал, открывающийся при связывании молекул медиатора с «узнающим» центром. Рецепторы второй группы (метаботропные рецепторы) открывают ионный канал опосредованно (через цепочку биохимических реакций), в частности, посредством активации специальных внутриклеточных белков.

Одними из самых распространенных являются медиаторы, принадлежащие к группе биогенных аминов. Эта группа медиаторов достаточно надежно идентифицируется микрогистологическими методами. Известны две группы биогенных аминов: катехоламины (дофамин, норадреналин и адреналин) и индоламин (серотонин). Функции биогенных аминов в организме весьма многообразны: медиаторная, гормональная, регуляция эмбриогенеза.

Основным источником норадренергических аксонов являются нейроны голубого пятна и прилежащих участков среднего мозга (рис. 2.14). Аксоны этих нейронов широко распространяются в мозговом стволе, мозжечке, в больших полушариях. В продолговатом мозге крупное скопление норадренергических нейронов находится в вентролатеральном ядре ретикулярной формации. В промежуточном мозге (гипоталамусе) норадренергические нейроны наряду с дофаминергическими нейронами входят в состав гипоталамо-гипофизарной системы. Норадренергические нейроны в большом количестве содержатся в нервной периферической системе. Их тела лежат в симпатической цепочке и в некоторых интрамуральных ганглиях.

Дофаминергические нейроны у млекопитающих находятся преимущественно в среднем мозге (так называемая нигро-неостриарная система), а также в гипоталамической области. Дофаминовые цепи мозга млекопитающих хорошо изучены. Известны три главные цепи, все они состоят из однонейронной цепочки. Тела нейронов находятся в мозговом стволе и отсылают аксоны в другие области головного мозга.

Одна цепь очень проста. Тело нейрона находится в области гипоталамуса и отсылает короткий аксон в гипофиз. Этот путь входит в состав гипоталамо-гипофизарной системы и контролирует систему эндокринных желез.

Вторая дофаминовая система также хорошо изучена. Это черная субстанция, многие клетки которой содержат дофамин. Аксоны этих нейронов проецируются в полосатые тела. Эта система содержит примерно 3/4 дофамина головного мозга. Она имеет решающее значение в регулировании тонических движений. Дефицит дофамина в этой системе приводит к болезни Паркинсона. Известно, что при этом заболевании происходит гибель нейронов черной субстанции. Введение L-DOPA (предшественника дофамина) облегчает у больных некоторые симптомы заболевания.

Третья дофаминергическая система участвует в проявлении шизофрении и некоторых других психических заболеваний. Функции этой системы пока изучены недостаточно, хотя сами пути хорошо известны. Тела нейронов лежат в среднем мозге рядом с черной субстанцией. Они проецируют аксоны в вышележащие структуры мозга, мозговую кору и лимбическую систему, особенно к фронтальной коре, к септальной области и энторинальной коре. Энторинальная кора, в свою очередь, является главным источником проекций к гиппокампу.

Согласно дофаминовой гипотезе шизофрении, третья дофаминергическая система при этом заболевании сверхактивна. Эти представления возникли после открытия веществ, снимающих некоторые симптомы заболевания. Например, хлорпромазин и галоперидол имеют разную химическую природу, но они одинаково подавляют активность дофаминергической системы мозга и проявление некоторые симптомов шизофрении. У больных шизофренией, в течение года получавших эти препараты, появляются двигательные нарушения, получившие название tardivedyskinesia (повторяющиеся причудливые движения лицевой мускулатуры, включая мускулатуру рта, которые больной не может контролировать).

Серотонин почти одновременно открыли в качестве сывороточного сосудосуживающего фактора (1948) и энтерамина, секретируемого энтерохромаффиновыми клетками слизистой оболочки кишечника. В 1951 г. было расшифровано химическое строение серотонина и он получил новое название - 5-гидрокситриптамин. В организме млекопитающих он образуется гидроксилированием аминокислоты триптофана с последующим декарбоксилированием. 90% серотонина образуется в организме энтерохромаффиновыми клетками слизистой оболочки всего пищеварительного тракта. Внутриклеточный серотонин инактивируется моноаминоксидазой, содержащейся в митохондриях. Серотонин внеклеточного пространства окисляется перулоплазмином. Большая часть вырабатываемого серотонина связывается с кровяными пластинками и по кровяному руслу разносится по организму. Другая часть действует в качестве местного гормона, способствуя авторегулированию кишечной перистальтики, а также модулируя эпителиальную секрецию и всасывание в кишечном тракте.

Серотонинергические нейроны широко распространены в центральной нервной системе. Они обнаруживаются в составе дорсального и медиального ядер шва продолговатого мозга, а также в среднем мозге и варолиевом мосту. Серотонинергические нейроны иннервируют обширные области мозга, включающие кору больших полушарий, гиппокамп, бледный шар, миндалину, область гипоталамуса. Интерес к серотонину был привлечен в связи с проблемой сна. При разрушении ядер шва животные страдали бессонницей. Сходный эффект оказывали вещества, истощающие хранилище серотонина в мозге.