Синаптическая и нейрональная пластичность при различных функциональных состояниях нервной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Синаптическая и нейрональная пластичность при различных функциональных состояниях нервной системы

Ланская Ольга Владимировна,

доктор наук, доцент, профессор

В обзорной статье представлены сведения о пластичности синапсов центральной и периферической нервной системы в нормальных физиологических условиях и при неврологических дисфункциях, а также пластичности нейронов и их отростков при различных функциональных состояниях нервной системы.

Пластичность синапсов центральной и периферической нервной системы в нормальных физиологических условиях и при неврологических дисфункциях. Передача возбуждения между нейронами, а также от нейронов к мышечным клеткам происходит благодаря наличию специализированных межклеточных контактов. Синапс формируется пресинаптической клеткой, обладающей способностью выделять химический посредник, синаптической щелью, в которой происходит диффузия медиатора, и постсинаптической клеткой, чувствительной к действию медиатора благодаря наличию рецепторов. При этом медиатор выделяется порциями определенного размера - квантами, в специализированных участках пресинаптической мембраны - активных зонах. нервный система синапс нейрон

Важным и неотъемлемым свойством химических синапсов как в центральной, так и периферической нервной системе является пластичность. Синаптическая пластичность (СП) является составляющей нейропластичности и рассматривается как способность синапсов к функциональным и морфологическим перестройкам в процессе активности. Именно благодаря этому свойству синапсы выполняют множество разнообразных физиологических функций в организме. Н.Н. Боголепов с коллегами [1], M. Manto с коллегами [2] определяют СП как свойство синапсов реагировать на физиологические и патологические воздействия изменением эффективности транссинаптической передачи информации.

Выделяются следующие виды пластичности синапсов [3]:

1. эволюционная, которая обеспечивает развитие простых нейронных сетей в сверхсложные мультимодульные сети, способные осуществлять высшие психические функции;

2. онтогенетическая, связанная с индивидуальным развитием и обеспечивающая приспособление организма к внешней и внутренней среде;

3. физиологическая, связанная с физиологической активацией функциональных систем;

4. реактивная, которая проявляется краткосрочной активацией синапсов после патологического воздействия на них различных факторов (ишемия, гипоксия, токсины);

5. адаптационная, связанная с длительной активацией существующих функциональных систем мозга и появлением новых функциональных систем мозга в процессе адаптации организма к окружающей среде;

6. репаративная, которая обеспечивает восстановление функциональных систем мозга после их повреждения и реализуется всем спектром повышения эффективности синаптического пула, от активации сохранившихся синапсов до неосинаптогенеза и роста нервных отростков.

Выделяют кратковременные формы СП, которые длятся секунды и минуты, а также долговременные формы, которые продолжаются часы, месяцы и годы. Долговременные виды пластичности формируются на основе кратковременных воздействий, и лежат, в частности, в основе когнитивных функций нервной системы. Кратковременная СП проявляется в виде изменения величины секреции медиатора, и может проявляться либо в облегчении (увеличении), либо в депрессии (уменьшении). Указывается, что кратковременная СП выполняет важную физиологическую роль в нервной системе. Помимо участия в простых формах обучения и памяти, кратковременная СП обеспечивает обработку информации в нейронных сетях, участвует в активации «молчащих» синапсов и, как уже указывалось, индукции долговременных форм синаптической пластичности. В нервно-мышечном синапсе кратковременная СП участвует в управлении движениями, как у позвоночных, так и беспозвоночных животных [4].

Установлено, что в основе кратковременных форм СП лежат разнообразные пресинаптические механизмы, связанные с повышением концентрации и изменением динамики спада внутриклеточного Са, изменениями величины входящего кальциевого тока, удлинением временного хода секреции, нарушением соотношения между тратой и восполнением запаса медиатора [5-7]. При этом важную роль в развитии кратковременных форм СП играет структурно-функциональная организация активных зон нервных окончаний. При разрушении активных зон под действием фармакологических агентов способность синапсов к пластичности практически исчезает [5]. Помимо пресинаптических, существуют также и постсинаптические механизмы кратковременной СП, связанные с повышением (потенциацией), либо снижением (десенситизацией) чувствительности постсинаптических рецепторов к медиатору. В зависимости от выраженности тех или иных процессов при различных параметрах активности и условиях функционирования синапса преобладает либо облегчение, либо депрессия секреции медиатора [8].

Долговременная СП может выражаться в виде долговременной потенциации или долговременной депрессии. Наиболее выражены эти процессы в отделе головного мозга, играющем ключевую роль в формировании памяти - гиппокампе. Инициация долговременных форм СП происходит в результате активации глутаматных NMDA-рецепторов (им отводится особая роль в регуляции нейрональной возбудимости и СП), которые открываются при деполяризации мембраны в процессе ритмической активности и пропускают ионы кальция в клетку [9, 10]. При этом известно, что ионы Са избирательно регулируют активность многочисленных белков и ферментов в нервных терминалях центральных и периферических синапсов. К их числу принадлежат, в частности, кальмодулин, кальмодулинкиназы, протеинкиназы С [11]. Повышение внутриклеточной концентрации ионов Са приводит к активации внутриклеточных протеинкиназ (кальций-кальмодулинзависимые киназы и др.) и фосфорилированию определенных белков. Эти процессы приводят к различным перестройкам в клетке, в том числе и морфологическим. Структурные изменения заключаются в росте и ветвлении пресинаптических нервных окончаний, изменении количества рецепторов на постсинаптической мембране, образовании новых синапсов. Таким образом, синаптическая активность в нервной системе приводит к изменению силы синаптической передачи и морфофункциональных свойств как пре-, так и постсинаптических клеток, которые сохраняются в течение минут, часов, месяцев, десятков лет [12].

Следует отметить, что реорганизация синаптических связей имеет немаловажное значение в процессе адаптивного формирования нейронных ансамблей. Структурная реорганизация синапсов относится к тем формам пластичности, которые наиболее существенную роль играют в процессе онтогенетического развития мозга. Структурные изменения у взрослых были первоначально обнаружены при определенных видах нейропатологических нарушений. Однако структурные перестройки могут иметь отношение также и к долговременной пластичности, и к процессам обучения и памяти. Структурная реорганизация синапсов является сложным биохимическим процессом, который сопровождается переносом уже существующих [13] и увеличением экспрессии вновь образованных белков [14]. Отмечается, что в процессе обучения тонким движениям в моторной коре обнаружены синаптогенез, увеличение ветвления дендритов и числа шипиков, экспрессия fos-генов, выполняющих ряд важных функций, связанных с клеточной дифференцировкой, пролиферацией, а также с целым рядом стрессовых реакций, увеличение содержания белка в нейронах и усиление внутрикорковых горизонтальных связей в слоях II-III [15].

Многими отечественными и зарубежными исследователями рассматриваются особенности СП мозга при его функциональных нарушениях [2, 16-18] (A.C. Shakesby et al., 2002; З.А. Алексанян с соавт., 2003; Б.Х. Базиян, Е.Л. Казакова, 2003; M. Manto et al., 2006 и др.). В частности, в работах [2, 16] указывается, что к основным механизмам проявления пластичности относятся изменения функциональной активности синапсов, количества, протяженности и конфигурации их активных зон, числа шипиков дендритов и синапсов на них, формирование новых синапсов, сопряженное с аксональным или дендритным спрутингом, длительное потенцирование или подавление, регулирующее эффективность синаптической передачи, изменение порога возбудимости потенциалзависимых мембранных каналов, компенсаторные возможности метаболизма на мембранном и молекулярном уровнях.

Установлено, например, что при церебральной ишемии мозга происходит существенная реорганизация межнейрональных взаимоотношений, активация синаптогенеза и изменение эффективности функционирующих синапсов [1, 3]. Результаты экспериментальных исследований, основанных на ультраструктурных методиках, подтверждают наличие нейропластических изменений при церебральных повреждениях в виде увеличения плотности дендритов в корковых отделах, при повторных двигательных заданиях - в виде увеличения числа синапсов в моторной коре [19]. Имеет значение и образование новых сосудов (ангиогенез) [20].

Основу современных представлений о нейропластичности составляет изучение пластических перестроек периферических синапсов. Представление о том, что нервно-мышечное соединение не является застывшей, статичной структурой, сложилось постепенно, по мере накопления данных о структурной и функциональной неоднородности нервно-мышечного синапса (НМС) скелетных мышц позвоночных. В процессе научных изысканий были изучены сезонные и возрастные изменения морфологии и функции синапса холоднокровных [21], выявлены различия между проксимальными и дистальными участками нервной терминали по ряду характеристик, определяющих секрецию ацетилхолина (АХ) [22]. Гистохимические изыскания ряда авторов [23-25], основанные на выявлении активности ацетилхолинэстеразы (АХЭ), позволяют достоверно отразить структурно-функциональное состояние НМС. Вместе с тем, энзимохимические свойства системы «двигательное окончание-мышечное волокно» изучались в ходе постнатального онтогенеза [26], а также в условиях воздействия ряда экзогенных факторов [27]. При этом в ряде работ рассматривается изменение вызванной секреции медиатора в НМС при использовании одиночных, парных, либо кратковременных высокочастотных пачек импульсов, а также в ходе длительной высокочастотной активности НМС. Такой подход, в частности, объясняется тем, что основной формой функционирования НМС является проведение не одиночных, а достаточно высокочастотных серий импульсов. В естественных условиях частота импульсации мотонейронов может достигать нескольких десятков импульсов в секунду. Такая высокочастотная активность сопровождается изменениями амплитуды постсинаптического ответа, напрямую связанной с количеством выбрасываемого медиатора, которое, в свою очередь, может меняться как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Эти изменения вызванной секреции и носят название СП. При этом выраженность и кинетика СП определяется не только исходной величиной секреции медиатора, но и частотой импульсации мотонейронов. В свою очередь отмечается, что действие выброшенного в синаптическую щель АХ кратковременно. Временно возникающий на постсинаптической мембране комплекс «АХ-рецептор» после прохождения каждого импульса разрушается ферментом АХЭ. Запасов АХ в нервном окончании достаточно для проведения примерно 10000 импульсов. При длительной импульсации мотонейронов, несмотря на постоянный синтез АХ, его содержание в концевых веточках может постепенно уменьшаться. В результате этого возможны нарушения передачи возбуждения в НМС - пресинаптический нервно-мышечный блок. В процессе напряженной и длительной мышечной работы АХ может не успевать разрушаться и накапливается в синаптической щели. Способность постсинаптической мембраны к генерации потенциала концевой пластинки при этом уменьшается и развивается частичный или полный постсинаптический нервно-мышечный блок. В этом случае сократительные свойства мышечных волокон снижаются.

Ряд работ посвящен процессу синаптогенеза, классической моделью которого являются процессы формирования и удаления НМС, происходящие на скелетных мышечных волокнах в период реиннервации мышцы прорастающим к ней двигательным нервом после его повреждения [28, 29]. Известно, что прорастающие моторные аксоны образуют на волокне избыточное количество контактов, из которых большинство вскоре «замолкают», то есть перестают секретировать медиатор, а вслед за этим отторгаются, элиминируются. В результате на волокне сохраняется один синапс, а полисинаптическая иннервация сменяется на одиночную, моносинаптическую. Однако, несмотря на актуальность и длительную историю изучения этого вопроса, сведения о механизмах и процессах, приводящих к подавлению избыточных синапсов и их последующей элиминации, остаются немногочисленными [30].

Таким образом, вышеизложенные факты свидетельствуют об определяющей роли СП в функционировании центральной и периферической нервной системы, а также ее двигательных структур в различных условиях, в том числе, патологических, когда происходит включение ее резервных возможностей [31].

Проявление признаков пластичности нейронов и их отростков при различных функциональных состояниях нервной системы. Признаки проявления нейропластичности обусловлены либо физиологическими, либо патологическими изменениями. В связи с чем, нейропластичность может рассматриваться как процесс постоянной регенерации в случае естественного или патологического повреждения, адаптирующий нервную клетку к новым функциональным условиям. Вместе с тем нейропластичность представляется как постоянная адаптация клетки к различным условиям функционирования, в том числе, к нормальным физиологическим, например, при вовлечении нервной ткани в процессы обучения и формирования навыков, или в результате реабилитационных мероприятий [32-53].

В свою очередь, наряду с нейропластичностью к наиболее значимым нейробиологическим процессам относят нейротрофику, нейропротекцию и нейрогенез. Они формируют эндогенную защитную активность, призванную противостоять патофизиологическим процессам. В частности, нейротрофика - это естественный процесс, подразумевающий пролиферацию, миграцию, дифференциацию и выживание нервных клеток. Нейропротекция - комплекс механизмов, противодействующих повреждающим факторам. Нейрогенез - формирование из стволовых клеток новых клеток нервной ткани (нейронов, астроцитов и олигодендроцитов). Конечным назначением нейрогенеза является образование новых нейронов. Такие фундаментальные биологические процессы не имеют четко различимых границ, их механизмы сходны и взаимосвязаны. Следует отметить, что при каждом повреждении нервной системы после определенного латентного периода запускаются эндогенные нейропротективные реакции. Целью нейропротекции является предотвращение смерти нейронов, клеток глии и эндотелиальных клеток, то есть нейроваскулярной единицы. Локальное повреждение ткани мозга также приводит к активации механизмов реактивной и репаративной нейропластичности. Первая является непосредственным ответом на патологическое воздействие сохранившихся нейронов, в то время как при репаративной включаются компенсаторно-восстановительные механизмы. Процессы нейропротекции и нейропластичности, регулирующиеся нейротрофическими факторами, во многом являются последовательными реакциями [54].

Пластичность нейрона и нервной ткани предполагает различные механизмы сохранения информации. В их числе и пластичность нейроглиальных взаимоотношений. В частности, по аналогии с другими тканями возможны реципрокные взаимодействия. В такой модели предполагается, что динамика активности нейрона в соответствии с изменением его стимуляции может существенно варьировать его взаимодействие с окружающими глиальными структурами, что вторично меняет их активность, стимулируя синтетические процессы, выработку биологически активных факторов, аналогичную в ходе нейрогенеза. Это может быть фактором, обеспечивающим формирование новых межнейронных контактов и функциональных связей нервных клеток, обеспечивающих следовую память.

Нейроглиальные взаимоотношения чрезвычайно важны для нормальной функции ЦНС. Модуляция нейроглии в центральной и периферической нервной системе динамична в ходе индивидуального развития, формирует разнообразные эффекты, в том числе пластичность. Важной неврологической проблемой является влияние стрессовых воздействий на развитие и функционирование нервной системы. Сильное повреждение (в том числе и опосредованное через периферические органы) может вести к функциональным и структурным изменениям не только головного мозга, но и нервной системы в целом. Физиологические стрессорные воздействия, тем не менее, в целом активизируют деятельность и развитие мозга, и стресс может служить гомеостатическим фоном для повышения нейрональной функции. Глиальные клетки влияют на нормальную синаптическую передачу и на ее нарушения при нервных заболеваниях. За ними закреплена функция повышения пластичности при нарушениях в нервной системе. Отдаленные сроки после экстремальных воздействий и при непосредственных повреждениях мозга характеризуются динамикой в первую очередь именно глиально-трофического окружения. Реакции собственно самих нейронов проявляются в поздние сроки, в виде очаговой гибели нервных клеток и компенсаторной гипертрофии с гиперплазией отростков оставшихся клеток.

Ранее упоминалось, что идея пластичности легла в основу теории, определяющей роль обучения в формировании синаптических связей в коре больших полушарий и объясняющей морфологические особенности обучения. Получение информации влечет за собой модуляцию синаптических контактов. Посредством суммирования совпадающих по времени входных сигналов нейроны связываются друг с другом, образуя функциональные динамические системы, причем контакты между входными и выходными нейронами усиливаются дублирующимися волокнами и обратными связями. Благодаря этим ассоциативным процессам клетки связываются в функциональные единицы памяти - «клеточные ансамбли».

Основными путями реализации пластичности нервной системы и обеспечения хранения информации признаются модификация количества, конфигурации, свойств синапсов, а также изменение структуры (длина, ветвистость) отростков нейрона. В этой связи следует отметить, что исключительно важную роль в реализации процессов пластичности играют, в том числе, нейротрофины, модулирующие структуру дендритов и плотность синапсов, принимая, тем самым, участие в процессах созревания нормального мозга и реализации обучения [55], а также хемокины, внесинаптическая нейротрансмиссия [56].

Особенности строения дендритного древа нейронов коры больших полушарий определяются сложностью выполняемых ими задач, характером и интенсивностью нагрузок. Так, нейронные ансамбли соматосенсорной зоны коры, обеспечивающие деятельность пальцев кисти, имеют более сложное строение, чем нейроны, связанные с мускулатурой туловища. Различия максимальны в случае, когда трудовая деятельность связана с тонкими дифференцированными движениями кисти (машинопись, работа с тонкими инструментами). Установлено увеличение размера двигательного нейронального представительства мышц кисти при интенсивной тренировке пальцев на пианино [57], а также у лиц, играющих на струнных музыкальных инструментах [58], расширение сенсомоторной зоны коры «считывающего» пальца у слепых, пользующихся методом Брайля, причем вовлеченная зона коры варьировала в зависимости от интенсивности нагрузок [59]. Вместе с тем, исследование кортико-моторных проекций мышц кисти у профессиональных бадминтонистов в сравнении с любителями выявило смещение двигательной проекционной области мышц кисти для «играющей» руки у всех профессионалов в отличие от лиц, не ассоциированных со спортом [60].

В многочисленных исследованиях показано также, что пластические изменения в моторной коре происходят и после травмы мозга или инсульта, выражаются в уменьшении площади проекции мышц пораженного полушария по сравнению с контралатеральной стороной, тогда как в результате реабилитационной тренировки отмечается повышение возбудимости нейрональных сетей в пораженной зоне, достоверное увеличение проекционной области ипсилатеральных мышц наряду с некоторым уменьшением их контралатерального коркового представительства [61]. При этом установлено, что реорганизация кортико-моторных центров после инсульта протекает достаточно быстро. По некоторым данным, пластическая перестройка моторной коры происходит уже в течение месяца от момента катастрофы. В большинстве исследований, проведенных через 2-4 месяца от начала болезни, реорганизация моторной коры является обычной находкой. Преходящие изменения проекционных областей разных мышц в моторной коре в норме и при патологии подтверждены исследованиями с использованием транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) [59]. Ряд приведенных наблюдений лишний раз подчеркивает быстроту формирования и лабильность пластических изменений в коре головного мозга под влиянием внешних условий.

Высказываются различные гипотезы о возможных механизмах, лежащих в основе пластических реорганизаций кортикальных областей. Прежде всего, реорганизация границ корковых моторных представительств может объясняться демаскировкой уже существующих нисходящих кортикальных влияний за счет изменения их возбудимости под влиянием сигналов с периферии. При этом пороги вызова движений в ответ на магнитную стимуляцию соответственно снижаются или повышаются, обеспечивая наблюдаемые изменения функциональной топографии. Также, по-видимому, имеет место непосредственное изменение эффективности нисходящих связей за счет СП. Другая возможность заложена в наличии в коре мозга разветвленных горизонтальных межкорковых связей между моторной и соматосенсорной, а также другими областями коры [62].

Среди клеточных механизмов двигательной пластичности важную роль играет возбудимость мотонейронного пула спинного мозга и ее изменчивость при различных функциональных условиях. Известно, что уровень рефлекторной возбудимости б-мотонейронов скелетных мышц обусловливает функциональное состояние нейромоторного аппарата. Многочисленные собственные исследования показывают изменение возбудимости спинальных б-мотонейронов скелетных мышц под влиянием физических нагрузок [33-35, 37-50]. В исследованиях Т.В. Балтиной [63] изучалась активность мотонейронов спинного мозга в ответ на афферентные влияния. В этой связи следует обратить внимание на следующий аспект. Хорошо известно, что сенсорные I-а волокна создают как моносинаптические, так и олигосинаптические связи с б-мотонейронами в вентральных рогах, они включены в рефлекторную дугу и используют глютамат для передачи нервного возбуждения. В спинном мозге глютамат активирует два основных типа ионотропных рецепторов: NMDA- и AMPA-рецепторы. Сначала предполагалось, что эти два типа глютаматных ионотропных рецепторов играют различную роль в синаптической передаче рефлексов. Первоначальные работы показали, что NMDA-рецепторы были вовлечены в передачу полисинаптических рефлексов, а AMPA-рецепторы были вовлечены в передачу моносинаптических рефлексов; как бы то ни было, последующие за ними исследования установили, что это не было так [64]. Дальнейшие исследования показали, что функция NMDA рецепторов является принципиально важной для пластичности. Например, в экспериментах, поставленных in vitro, Fields с коллегами [65] культивировал спинальные мотонейроны 13-дневных зародышей мышей в 3-камерной клеточно-культурной системе и электрически стимулировал сенсорные афференты мотонейронов одной камеры. Таким образом, было показано, что мотонейроны, которые были объектом хронической стимуляции, развивали устойчивые синаптические связи с афферентными волокнами в периоды получения больших возбуждающих постсинаптичских потециалов в сравнении с не подвергающимися воздействию камерами сенсорных афферентов. Следовательно, эти экспериментальные модели подсказали, что возрастание сенсорных входов на спинальные мотонейроны может увеличивать эффективность этой синаптической связи. Такие индуцированные стимуляцией изменения в сенсорной афферентной эффективности были уменьшены аппликацией антанонистов NMDA [65], подсказывая, таким образом, что сенсорные входы на мотонейроны запускают морфологические изменения через активацию NMDA-рецепторов. Тела клеток и дендриты вначале растут в размере и количественно, но после этого начального роста они показывают регресс до тех пор, пока не достигнут окончательно созревшей конфигурации. NMDA-рецепторы играют роль в этом дендритном росте и их сокращении. Аппликация NMDA-антагониста во время первых трёх недель после рождения существенно уничтожает мотонейронный и дендритный рост у новорождённых хомяков: в то время как у взрослых NMDA-блокада не продемонстрировала влияния на морфологию мотонейронов. В заключение, хотя NMDA-глютаматные рецепторы не играли значительной роли в сигнальной передаче рефлексов, NMDA-рецепторы имели важное влияние на индуцирование пластических изменений в спинальных мотонейронах.

Интересно, что NMDA-рецепторы могут быть обнаружены повсюду в сером веществе спинного мозга (вентральные и дорзальные рога) на самых ранних стадиях развития, но во время взросления они существенно ликвидируются (исчезают) из всех частей спинного мозга за исключением желатинозной субстанции. NMDA-рецепторы желатинозной субстанции играют роль в модификации входов от сенсорных волокон, таких как А-дельта (кожные афференты температуры и боли). Эксперименты на спинном мозге крыс показали, что низкочастотная стимуляция А-дельта волокон может запускать NMDA-зависимую долговременную депрессию в желатинозной субстанции. В патологических условиях, таких как нарушение возбуждения (эксцитотоксия), активация этих рецепторов в ЦНС даёт вклад в процесс нейрональной деструкции. Аналогичным образом NMDA-рецепторы могут вовлекаться в возникновение нейропатической боли [66].

Многие исследователи оценивали также состояние мотонейронного пула в условиях деафферентации. Выраженная в той или иной степени деафферентация может наблюдаться, например, в условиях гравитационной разгрузки, клинической гипокинезии, при неврологических заболеваниях, включая, в том числе, спинальный травматизм, при травмах опорно-двигательного аппарата (ОДА) и др. Последнее, например, очень распространено в спортивной среде и объясняется тем, что современная подготовка высококвалифицированных спортсменов требует напряженных режимов тренировки и предъявляет высокие требования к организму спортсмена, в частности, к ОДА с развитием перенапряжения и, как следствие, повышением травматизма [33, 34, 48, 67-69].

Отмечается, что в условиях гравитационной разгрузки, возникающих, например, в результате ограничения подвижности в течение строгого постельного режима или во время космического полета, уменьшается количество миофибриллярных белков, мышечных ядер и количество нервно-мышечных синапсов. При этом следует отметить, феномены мышечной пластичности в данных условиях в настоящее время могут объясняться с позиции молекулярной сигнализации или сигналлинга [70].

В работе Н.А. Чухаревой [71] сообщается, что в эксперименте на животных деафферентация вызывается путём перерезки задних корешков в одном или нескольких сегментах спинного мозга. Синдром деафферентации, например задней конечности у крысы или собаки, тотчас после операции выражается в явлениях паралича. Это возникает вследствие выключения механизма обратной связи оперированной конечности со спинным мозгом. Выключается информация, получаемая спинным мозгом и вышележащими отделами ЦНС от проприорецепторов мышц и других рецепторов. В дальнейшем движения оперированной конечности восстанавливается за счёт регулирующих влияний со стороны здоровых конечностей и вышележащих отделов ЦНС. Эти влияния передаются через вставочные нейроны на мотонейроны деафферентированной конечности. Однако восстановление движений деафферентированной конечности происходит не полностью. Сокращения её мышц становятся слишком резкими, тонус мускулатуры ослаблен. Животное, лишённое ощущений с деафферентированной конечности, относится к ней как к постороннему телу [71].

Установлено, что снижение или выключение поступления афферентной стимуляции к мотонейронам и, как результат, деафферентация нейрона происходит в условиях повреждения периферического нерва [72]. Однако полной она не бывает, так как нейроны ЦНС обладают огромным количеством афферентных входов. Повреждение аксона при поражении периферического нерва приводит к изменению вида соматической клетки мотонейрона - нейрон разбухает, округляется, меняют своё положение некоторые составляющие. Происходит увеличение количества рибонуклеиновой кислоты, которая в дальнейшем используется для синтеза белков, необходимых для процесса «ремонта» аксона. В некоторых экспериментах такие изменения имели место не только в двигательных, но и в чувствительных нейронах. Стирается разница между деафферентированными мотонейронами, иннервирующими быстрые и медленносокращающиеся волокна, а после реиннервации вновь становится очевидной. Экспериментально на людях и животных установлено, что указанные изменения мотонейронов, а также спинальных ганглиев и глиальные реакции наблюдаются не только на поврежденной (ипсилатеральной) стороне, но и контралатерально [6, 7, 33, 34].

Изложенные факты указывают на процессы нейропластичности, в которых важную роль играют также и глиоциты. В литературе неоднократно отмечается тот факт, что, помимо прочего, за глиальными клетками закреплена функция повышения пластичности при нарушениях в ЦНС, которая проявляется в синтезе глиоцитов и усилении трофических процессов [73].

Некоторые опубликованные работы поддерживают точку зрения, что ЦНС в состоянии осуществлять значимую пластичность после повреждения спинного мозга (ПСМ) и что реабилитационные вмешательства после ПСМ влияют на эту пластичность на нескольких уровнях [74]:

· поведенчески (восстановление чувствительных, двигательных или автономных функций);

· физиологически (нормализацией рефлексов, усилением двигательных вызванных потенциалов);

· структурно/анатомически (аксональный спраутинг, дендритный спраутинг, генезис нервной ткани);

· клеточно (синаптогенез, синаптическое усиление);

· молекулярно (усиление регуляции нейротрансмиттеров и нейротрофических факторов, альтерация в экспрессии генов).

Базируясь по большей части на результатах исследований, полученных на моделях животных, реорганизация ЦНС, включая СП, аксональный спраутинг и клеточную пролиферацию, как было давно показано, самопроизвольно случается вслед за ПСМ [75]. Такая реорганизация случается в спинномозговой цепи ниже - каудально к повреждению в спинномозговой цепи, вокруг повреждения, в спинном мозге рострально к повреждению и в супраспинальных структурах.

Кроме того, при изучении мышц в условиях денервации у крыс Р.Р. Исламовым и В.В. Валиуллиным [76] было установлено, что после одностороннего повреждения седалищного нерва как в быстрой, так и в медленной мышцах происходит увеличение доли медленных мышечных волокон. Обнаруженный авторами феномен «замедления» мышц контралатеральной конечности после одностороннего повреждения нерва может быть объяснен компенсаторной билатеральной активацией спинальных двигательных центров в этих условиях. Вместе с тем, выдвинуто предположение, что импульсы от поврежденных афферентных волокон через мозжечок и ретикулярную формацию по восходящим путям переправляются на гамма-мотонейроны, возбуждающие интрафузальные мышечные волокна контралатеральной стороны. Это возбуждение по восходящим путям через мозжечок и красное ядро возвращается на б-мотонейроны той же стороны, что, в свою очередь, повышает тонус экстрафузальных мышечных волокон мышц конечностей контралатеральной стороны и вызывает возрастание в них относительного содержания медленных волокон. Таким образом, результаты этих исследований позволили авторам заключить, что экстрапирамидная система модулирует фенотип мышечных волокон через б-мотонейроны спинного мозга, причем компенсаторная активация экстрапирамидной системы проявляется выраженным «замедлением» как быстрой, так и медленной мышц контралатеральной конечности.

С учетом вышеизложенного следует отметить, что активация симметричных нейромоторных систем представляется одной из важнейших реакций ЦНС на периферическое повреждение. Процессы, происходящие при этом в «интактных» парных мышцах, связаны, очевидно, с изменением состояния спинальных двигательных центров, а также структур, осуществляющих по отношению к этим центрам интегративную функцию [77]. Однако литературные данные свидетельствуют о том, что исследованию центральных механизмов билатеральных компенсаторных реакций, возникающих после одностороннего повреждения нервов, уделяется значительно меньше внимания, чем исследованиям периферической части травмированной двигательной системы. Во многом неясными и противоречивыми остаются данные о механизмах билатеральных изменений нейромоторного аппарата при одностороннем нарушении нервного контроля [77]. В результате экспериментальных исследований А.А. Еремеева [77] были получены сведения о взаимосвязи ипси- и контралатерального двигательного центра, опосредуемой различными внутриспинальными связями, в частности, латентными в норме и активирующимися после одностороннего пережатия седалищного нерва.

Литературные сведения свидетельствуют также о том, что если перерезать периферический нерв, возникает дегенерация аксона к периферии от места перерезки и регенерация его конца, связанного с клеткой перерезанного нерва [71]. Если центральные и периферические концы перерезанного нерва отодвинуты далеко от друга, регенерирующие концы аксонов не достигают шванновских клеток периферического конца перерезанного нерва и полная регенерация не наступает. Одним из важных процессов при регенерации аксонов нервных клеток в этом случае является образование на их концах колбовидных утолщений, пуговок. Если количество этих утолщений велико (например, после травмы толстого смешанного нерва), то на концах перерезанного нерва образуется опухолевидное разрастание - неврома. Окружающие ткани раздражают эти окончания чувствительных нервов и вызывают резкие болевые ощущения, называемые каузальными [71]. При перерезке нервных стволов, соединяющих ткань с ЦНС, происходит децентрализация ткани. После перерождения перерезанных нервных волокон ткань называется денервированной. Скелетные мышцы после денервации атрофируются, в них происходят глубокие изменения всех видов обмена, меняется их возбудимость и другие физиологические свойства. Изменения эти необратимы, если иннервация ткани не будет восстановлена [71].

В свою очередь, дегенерация аксонов в периферических нервах может быть вызвана травмами ОДА, токсическими воздействиями, дефектами образования миелина, нарушениями аксонного транспорта, гипоксией и многими другими факторами. Наиболее часто встречаются травматические повреждения периферических нервных стволов, сопутствующие производственному, транспортному, спортивному и бытовому травматизму. Нарушение анатомической целостности нервного ствола приводит к полному выпадению функции нерва. Повреждения отростков двигательных и чувствительных нейронов вызывают паралич иннервируемых мышц и анестезию, а дегенерация аксонов вегетативных нейронов сопровождается сосудодвигательными расстройствами.

Восстановление поврежденных аксонов, то есть их регенерация с соответствующим восстановлением миелина - ремиелинизация - происходит в условиях сохранности трофического центра - тела нейрона. Двигательный нерв регенерирует и снова соединяется с мышцей. Этот процесс стимулируется сигналами из мотонейрона, который в условиях деафферентации не получает сигналов от мышцы путем некоторых факторов, перемещающихся в сохранном аксоне по направлению к соме мотонейрона [78]. Регенерированные аксоны, тем не менее, оказываются тоньше обычных. Перехваты Ранвье в регенерированных нервах располагаются ближе друг к другу, что обусловлено пролиферацией шванновских клеток, имеющей место во время нервной регенерации. Эти особенности приводят к снижению скорости распространения импульса по нервному волокну, поскольку она прямо пропорциональна диаметру осевого цилиндра, а также зависит от изолирующих свойств миелиновой оболочки [78].

В случае частичной денервации, сохранившиеся двигательные аксоны выпускают отростки и устанавливают синаптические связи с денервированными мышечными волокнами. Это явление называется коллатеральной реиннервацией или коллатеральным спраутингом или локальным спраутингом. Отмечается, что явление коллатерального спраутинга свидетельствует об обмене информацией между нейронами: сигнал о выпадении функции аксона и непоступлении через него трофических факторов с иннервированной структуры передается соседним нейронам и стимулирует рост аксона [34].

Следует учитывать, что аксональная регенерация и коллатеральная реиннервация не являются взаимоисключающими друг друга восстановительными процессами. Наоборот, они протекают одновременно при любом обратимом нервно-мышечном расстройстве, характеризующимся неполной мышечной денервацией [7].

В заключении следует отметить, что имеющийся в литературе материал, посвященный вопросу пластичности элементов нервной системы, не исчерпывается представленными сведениями. Однако была предпринята попытка обсудить некоторые аспекты в рамках рассматриваемой темы. В целом, представленные результаты научно-исследовательской работы многих специалистов с применением молекулярно-биологических методов исследования, совмещенных с методами классической и клеточной физиологии свидетельствуют о том, что концепция нейропластичности имеет важное значение для понимания закономерностей протекания различных процессов (физиологических, патологических) в нервной системе, как в центральных, так и периферических ее отделах. В данном направлении проводятся активные исследования, касающиеся изучения влияния эндогенных и экзогенных факторов. При этом одной из задач, которую ставят перед собой как нейрофизиологи, так и клиницисты является выявление способов повышения нейрональной и глиальной активности, увеличения продолжительности жизни нервной клетки, стимулирования аксонального роста и развития новых межнейрональных связей.

Список литературы

1. Боголепов, Н.Н. Закономерности реализации механизмов синаптогенеза в коре большого мозга взрослых крыс после кратковременной тотальной остановки системного кровотока / Н.Н. Боголепов, В.В. Семченко, С.С. Степанов // Структурно-функциональные и нейрохимические закономерности асимметрии и пластичности мозга. М., 2005. 51-54.

2. Manto, M. Modulation of excitability as an early change leading to structural adaptation in the motor cortex / M. Manto, N. Oulad ben Taib, A.R. Luft // J. Neuro. Sci. Res. 2006. № 83(2). Р. 177-180.

3. Семченко, В.В. Синаптическая пластичность головного мозга (фундаментальные и прикладные аспекты) / В.В. Семченко, С.С. Степанов, Н.Н. Боголепов. Омск, 2008.408 с.

4. Fortune, E.S. Short-term synaptic plasticity as a temporal filter / E.S. Fortune, G.J. Rose // Trends Neurosci. 2001. V. 24. P. 381-385.

5. Зефиров, А.Л. Синаптическая пластичность как основа когнитивной функции нервной системы / А.Л. Зефиров // Материалы 1-й Российской конференции по когнитивной науке, Казань, 9-12 октября 2004. С. 94-96.

6. Тупякова, О.В. Модуляция двигательных рефлексов при компрессии пояснично-крестцовых спинномозговых корешков и сопутствующие изменения электролитов сыворотки крови: автореф. дисс. … канд. биол. наук. Ульяновск, 2008. 21 с.

7. Тупякова, О.В. Модуляция двигательных рефлексов при компрессии пояснично-крестцовых спинномозговых корешков и сопутствующие изменения электролитов сыворотки крови: дисс. … канд. биол. наук. Великие Луки, 2008. 126 с.

8. Beutner, D. Calcium dependence of exocytosis and endocytosis at the cochlear inner hair cell afferent synapse / D. Beutner, T. Voets, E. Neher, T. Moser // Neuron. 2001. V. 29. P. 681-690.

9. Liang, H. Unified mechanisms of Ca2+ regulation across the Ca2+ channel family / H. Liang, C.D. DeMaria, M.G. Erickson et al. // Neuron. 2003. V. 39. P. 951-960.

10. Алтынбаев, Р.Ш. Молчащие синапсы: роль в синаптической пластичности / Р.Ш. Алтынбаев, А.С. Хахалин, М.Г. Шерозия, Л.Л. Воронин // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2004. Т. 90. №8. С. 228.

11. Wong, M.Y. Presynaptic Ryanodine Receptor-CamKII Signaling is Required for Activity-dependent Capture of Transiting Vesicles / M.Y. Wong, D. Shakiiyanova, E.S. Levitan // J Mol Neurosci. 2009. V. 37. P. 146-150.

12. Брежестовский, П.Д. Физиология синапса: от молекулярных модулей до ретроградной модуляции / П.Д. Брежестовский // Российский физиологический журнал. 2010. N 9. С.841-860.

13. Krucker, T. Dynamic actin filaments are required for stable long-term potentiation (LTP) in area CA1 of the hippocampus / T. Krucker, G.R. Sigging, S. Halpain // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000. V. 97. P. 6856-6861.

14. Behnisch, T. Imaging of gene expression during long-term potentiation / T. Behnisch, S. Matsushita, T. Knopfel // Neuroreport. 2004. V. 15. P. 2039-2043.

15. Иоффе, М.Е. Пластичность двигательных структур мозга и двигательное обучение / М.Е. Иоффе // Физиология мышц и мышечной деятельности. Материалы III Всероссийской школы-конференции. М., ФФМ МГУ, 2005. С. 48.

16. Shakesby, A.C. Overcoming the effects of stress on synaptic plasticity in the intact hippocampus: rapid actions of serotonergic and antide pressant agents / A.C. Shakesby et al. // J. Neurosci. 2002. № 22. Р. 3638-3644.

17. Алексанян, З.А. Изометрическое усилие как индикатор пластических перестроек в центральной нервной системе под действием лекарственной терапии / З.А. Алексанян, Е.Б. Лысков, С.П. Романов // Фундаментальные и клинические аспекты интегративной деятельности мозга. Материалы международных чтений, посвященных 100-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР, академика АН АрмСССР Э.А. Асратяна. Издательство ООО «МАКС Пресс», 2003. С. 35-38.

18. Базиян, Б.Х. Исследование координации движений глаз и руки в норме и при болезни Паркинсона / Б.Х. Базиян, Е.Л. Казакова // Фундаментальные и клинические аспекты интегративной деятельности мозга. Материалы международных чтений, посвященных 100-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР, академика АН АрмСССР Э.А. Асратяна. Издательство ООО «МАКС Пресс», 2003. С. 50-52.

19. Tillerson, J.L. Forced limb-use and recovery following brain injury / J.L. Tillerson, G.W. Miller // Neuroscientist. 2002; 8: 574-585.

20. Wei, L. Collateral growth and angiogenesis around cortical stroke / L. Wei, J.P. Erinjeri, C.M. Rovainen, T.A. Woolsey // Stroke. 2001; 32: 2179-2184.

21. Dobretsov, M.G. The formation of nerve endings in the phasic muscles of the frog / M.G. Dobretsov, A.L. Zefirov, R.S. Kurtasanov, I.A. Khalilov, I.M. Vinogradova // Neirofiziologiia. 1990;22(1): 99-107.

22. Tremblay, Y. Regulation of the gene for estrogenic 17-ketosteroid reductase lying on chromosome 17cen-q25 / Y. Tremblay, G.E. Ringler, Y. Morel, T.K. Mohandas, F. Labrie, J.F. Strauss, W.L. Miller // J. Biol Chem. 1989 Dec 5;264(34):20458-62.

23. Tabuchi, M. Histochemistry of acetylcholine receptors and acetylcholinesterase during the formation of neuromuscular junction in the urodele Hynoblus nigrescens / M. Tabuchi, K. Fujikura, S. Inone // J.Morphol. 1991. V.207, №1. Р. 1-8.

24. Koizumi, S. Characterization of elementary Ca2+ release signals in NGF-differentiated PC 12 cells and hippocampal neurons / S. Koizumi, and others // Neuron. 1999. V. 22. №1. Р. 125-137.

25. Зефиров, А.Л. Молекулярные механизмы квантовойсекреции медиатора в синапсе / А.Л. Зефиров, С.Ю. Черанов // Успехи физиол. наук. 2000. Т.31. № 3. С. 3-22.

26. Огнетов, С.Ю. Нейромышечный синапс: органная характеристика, возрастные преобразования / С.Ю. Огнетов, Н.Е. Сабельников, В.М. Чучков. Ижевск, 2002. 163 с.

27. Ардашев, А.Е. Возрастная динамика двигательных окончаний некоторых мышц головы и шеи в условиях дефицита симпатической иннервации: Автореф. дис. канд. мед. наук. Уфа, 2002. 22с.

28. Burden, S.J. Building the vertebrate neuromuscular synapse / S.J. Burden // J. Neurobiol. 2002. V. 53 (4). P. 501-511.

29. Lomo, T. What controls the position, number, size, and distribution of neuromuscular junctions on rat muscle fibers? Review / T. Lomo // J. Neurocytol. 2003. V. 32 (5-8). P. 835-848.

30. Santafe, M.M. Protein kinase C activity affects neurotransmitter release at polyinnervated neuromuscular synapses / M.M. Santafe, N. Garcia, M.A. Lanuza, J. Tomas // J. Neurosci Res. 2007. V. 85. P. 1449-1457.

31. Дамянович, Е.В. Компенсаторные изменения мозга человека при повреждении проводящих путей кожно-двигательного анализатора / Е.В. Дамянович, Т.В. Орлова // Росс. физиол. журн. им. И.И. Сеченова. Т. 90, №8. СПб, 2004. С. 204.

32. Ланская Е.В. Структурно-функциональная организация кортико-спинального тракта и его роль в регуляции движений (научный обзор) // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) - 2016 г. Том 1, № 56. С. 20-29; URL: http://novainfo.ru/article/9119

33. Ланская, О.В. Нейрофизиологические механизмы функциональной пластичности спинальных систем двигательного контроля: автореф. дисс. … д-ра биол. наук. Москва, 2014. 50 с.

34. Ланская, О.В. Нейрофизиологические механизмы функциональной пластичности спинальных систем двигательного контроля: дисс. … д-ра биол. наук. Великие Луки, 2014. 388 с. (с приложениями).

35. Ланская О.В., Андриянова Е.Ю. Физиологические механизмы функциональной пластичности спинальных систем двигательного контроля при занятиях спортом: Монография. Великие Луки, 2013. 268 с.

36. Ланская О.В. Возрастные особенности изменений двигательных рефлексов мышц нижних конечностей человека // Альманах «Новые исследования». 2011. № 1 (26). С. 15-21.

37. Ланская О.В., Андриянова Е.Ю. Исследование спинально-моторных проекций мышц нижних конечностей под влиянием долговременной адаптации к спортивной деятельности // Лечебная физкультура и спортивная медицина. 2011. №6. С. 34-39.

38. Ланская О.В., Андриянова Е.Ю. Электронейромиографическая пластичность спинальных систем двигательного контроля при занятиях различными видами спорта // Лечебная физкультура и спортивная медицина. 2012. №11(107). С. 16-23.

39. Ланская О.В., Андриянова Е.Ю. Изучение билатеральных моносинаптических рефлексов мышц верхних и нижних конечностей у представителей циклического и игрового видов спорта // Альманах «Новые исследования». 2012. №4 (33). С. 5-12.

40. Андриянова Е.Ю., Ланская О.В. Механизмы двигательной пластичности спинномозговых нервных цепей на фоне долговременной адаптации к спортивной деятельности // Физиология человека. 2014. Т. 40, №3. С. 73-85.

41. Ланская О.В., Андриянова Е.Ю. Выявление признаков пластичности спинально-мотонейронных пулов мышц верхних и нижних конечностей у представителей различных видов спорта // Ульяновский медико-биологический журнал. 2014. №3. С. 106-113.

42. Ланская, О.В. Мультисегментарные ответы мышц нижних конечностей у представителей спортивных игр с различным функциональным статусом опорно-двигательного аппарата / О.В. Ланская // Лечебная физкультура и спортивная медицина. 2014. №6(126). С. 42-47.

43. Ланская О.В., Андриянова Е.Ю., Ланская Е.В. Двигательная пластичность спинного мозга при занятиях различными видами спорта // Наука и спорт: современные тенденции. 2015. №2 (Том 7). С. 64-70.

44. Ланская, О.В. Пластичность шейных и пояснично-крестцовых спинальных нейрональных сетей двигательного контроля при занятиях спортом / О.В. Ланская, Е.Ю. Андриянова, Е.В. Ланская // Теория и практика физической культуры. 2015. №6. С. 14-16.

45. Ланская, Е.В. Функциональное состояние центральных и периферических звеньев нейромоторной системы у спортсменов, адаптированных к нагрузкам разной направленности / Е.В. Ланская, О.В. Ланская, Д.А. Гладченко // Ежемесячный научный журнал «Международный научный институт «Educatio». 2015. №4(11). С. 127-129.

46. Ланская, Е.В. Пластичность спинальных и соответствующих нервно-мышечных структур под влиянием долговременной спортивной деятельности разной направленности / Е.В. Ланская, О.В. Ланская // Лечебная физкультура и спортивная медицина. 2015. №5(131). С. 22-26.

47. Ланская, Е.В. Физиологические механизмы пластичности центральных и периферических звеньев нейромоторной системы как результат адаптации к повышенной активности скелетных мышц / Е.В. Ланская, О.В. Ланская, Е.Ю. Андриянова // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 3. Биология. 2015. Выпуск 4. С. 79-92.

48. Lanskaya O.V., Andriyanova E.Yu. Electrophysiological Mechanisms of the Plasticity of the Spinal Systems in Musculoskeletal System Dysfunctions // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2015, November. Volume 45, Issue 9. Р. 1010-1018.

49. Изучение уровня возбудимости кортико-спинальных и нервно-мышечных структур у представителей различных видов спорта / О.В. Ланская, Е.В. Ланская, Е.Ю. Андриянова // Ульяновский медико-биологический журнал. 2015. № 3. С. 101-107.

50. Ланская, Е.В. Механизмы нейропластичности кортико-спинального тракта при занятиях спортом / Е.В. Ланская, О.В. Ланская, Е.Ю. Андриянова // Ульяновский медико-биологический журнал. 2016. №1. С. 127-136.

51. Ланская Е.В., Ланская О.В. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНЕЙРОМИОГРАФИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫЗВАННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ МЫШЦ ВЕРХНИХ И НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ У ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ ВИДОВ СПОРТА С БЛИЗКОЙ ПО СТРУКТУРЕ ДВИГАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) - 2016 г. № 56, том 1. С. 8-14; URL: http://novainfo.ru/article/9100

52. Ланская О.В. ОСОБЕННОСТИ НЕЙРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И КАЧЕСТВА ЖИЗНИ СПОРТСМЕНОВ С ТРАВМАМИ И ПОСТТРАВМАТИЧЕСКИМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) - 2016 г. № 56, том 2. С. 11-24; URL: http://novainfo.ru/article/9159

53. Ланская О.В., Сазонова Л.А. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ АДАПТИВНО-ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ СПОРТСМЕНОВ ПОСЛЕ ТРАВМ СУСТАВОВ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) - 2016 г. № 56, том 3. С. 38-51; URL: http://novainfo.ru/article/9301

54. Muresanu, D.F. Neurotrophic factors - from bed to bench in dementia treatment; a short overview of some original data / D.F. Muresanu // Second joint congress of GCNN and SSNN. 2009. Р. 96.

55. Rocamora, N. Upregulation of BDNF mRNA expression in the barrel cortex of adult mice after sensory stimulation / N. Rocamora, E. Welker, M. Pascual, E. Soriano // J Neurosci 1996; 16: 4411-4419.

56. Bajetto, А. Characterization of chemokines and their receptors in the central nervous system: physiopathological implications / А. Bajetto, R. Bonavia, S. Barbero, G. Schettini // J Neurochem 2002; 102: 82: 6: 1311-1320.