Смирнов В.М. Физиология человека: Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

летной мышцы) принимают участие ионы

Са

, ток которых в клетку более медлен-

ный, чем ток Na

. В частности, в дендритах

клеток Пуркинье мозжечка выявлены не

только быстрые натриевые потенциалы, но

и медленные кальциевые, вход Са

в преси-

наптических окончаниях обеспечивает вы-

брос медиатора, вход Са

в дендриты нейро-

на примерно равен входу Na

в тело нейро-

на при возбуждении. В телах некоторых

нервных клеток ПД создается преимущест-

венно за счет Са

, а в аксоне — главным

образом за счет Na

Для возбуждения нейрона (возникнове-

ния ПД) необходимы потоки афферентных

импульсов и их взаимодействие. Это объяс-

няется тем, что один пришедший к нейрону

импульс вызывает небольшой возбуждающий

постсинаптический потенциал (ВПСП) —

всего 0,05 мВ (миниатюрный ВПСП). При

этом необходимо учесть, что одновременно

могут возникать не только возбуждающие,

но и тормозный потенциалы. Один пузырек

(квант медиатора) содержит

1 — 10

тыс. моле-

кул медиатора. Один ПД, пришедший в пре-

синаптическое окончание, обеспечивает вы-

деление 200—300 квантов медиатора. Если

учесть, что пороговый потенциал нейрона

5—10 мВ, ясно, что для возбуждения нейро-

на требуется некоторое множество импуль-

сов.

Выброс медиатора из нервного оконча-

ния обеспечивает входящий в деполяризо-

ванную терминаль ток Са

, причем количе-

ство медиатора прямо пропорционально

входу ионов Са

. Действует Са

с помощью

белка — кальмодулина, при этом четыре

иона Са

обеспечивают выброс одного кван-

та медиатора. При поступлении импульсов к

нейрону-мишени в результате суммации

ВПСП различных входов возникает деполя-

ризация генераторного пункта, которая, до-

стигнув критической величины, обеспечива-

ет возникновение ПД нейрона-мишени.

ВПСП возникает вследствие суммарного

тока в клетку и из клетки различных ионов

согласно электрохимическому градиенту

через ионные каналы, функциональная ак-

тивность которых определяется присутстви-

ем медиатора. Поступивший в пресинапти-

ческое окончание Са

удаляется за его пре-

делы с помощью Са-насоса. Прекращение

действия выделившегося в синаптическую

щель медиатора осуществляется частично

посредством обратного захвата его преси-

наптическим окончанием, частично — с по-

мощью разрушения специальными фермен-

тами. Норадреналин расщепляется моно-

аминоксидазой и катехолметилтрансфера-

зой,

ацетилхолин гидролизуется ацетилхо-

линтрансферазой, имеющейся в синаптичес-

кой щели и встроенной в постсинаптичес-

кую мембрану. Прекращение действия из-

бытков медиатора на постсинаптическую

мембрану предотвращает десенситизацию —

снижение чувствительности постсинаптиче-

ской мембраны к действующему медиатору.

Медиаторы, ферменты, белки, митохонд-

рии транспортируются в пресинаптические

окончания из тела клетки по аксону с помо-

щью микротрубочек и микрофиламентов,

тянущихся по всей длине аксона. Для этого

транспорта необходимы Са

и энергия

(АТФ непрерывно ресинтезируется в аксо-

не).

Из синапса ретроградно транспортиру-

ются по аксону в тело клетки вещества, ре-

гулирующие в ней синтез белка (см. раздел

5.2.5).

Место возникновения генераторных

ВПСП,

вызывающих ПД нейрона. Подавляю-

щее большинство нейрональных синапсов

находится на дендритах нейронов, в частнос-

ти в коре большого мозга, согласно расчетам,

98 % и только 2 % — на телах нейронов. Пло-

щадь мембраны тела нейронов на 40 % занята

синапсами, дендритов

—

на 75 %. Отношение

числа синапсов к нейронам в коре большого

мозга составляет 40

000:1.

Однако наиболее

эффективно вызывают возбуждение нейрона

синаптические контакты, расположенные на

теле нейрона. Это связано с тем, что постси-

наптические мембраны этих синапсов распо-

лагаются в непосредственной близости от

места первичного возникновения ПД, распо-

лагающегося в аксонном холмике. Близость

соматических синапсов к аксонному холмику

обеспечивает участие их ВПСП в механизмах

генерации ПД. В связи с этим некоторые ав-

торы предлагают называть их генераторными

синапсами.

Генераторный

пункт нейрона, т.е. мес-

то возникновения ПД, — аксонный холмик.

Синапсы на нем отсутствуют, отличительной

особенностью мембраны аксонного холмика

является высокая ее возбудимость, в 3—4

раза превосходящая возбудимость сомаденд-

ритной мембраны нейрона, что объясняется

более высокой концентрацией Na-каналов

на аксонном холмике. ВПСП электротони-

чески достигают аксонного холмика, обеспе-

чивая здесь уменьшение мембранного потен-

циала до критического уровня. В этот момент

возникает ПД. Возникший в аксонном хол-

мике ПД, с одной стороны, ортодромно

переходит на аксон, с другой — антидромно

на тело нейрона (рис. 7.2). Поскольку посто-

янная длины (X) мембраны нейрона состав-

101

впсп

Рис. 7.2. Регистрация (А) и вре-

менное течение ВПСП и ПД (Б) в

мотонейроне спинного мозга по-

звоночного при одиночной сти-

муляции заднекорешковых воло-

кон группы (1а).

—

начальный сегмент аксона; 2

—

нейрон.

ляет 1—2 мм (расстояние, на котором ВПСП

уменьшается на 37 %), а диаметр тела нейро-

на в несколько десятков раз меньше, то вели-

чина ВПСП, достигающая аксонного холми-

ка, достаточна для возникновения ПД на

нем.

При возбуждении нейронов потребление

возрастает в 2 раза, уменьшается количе-

ство нуклеиновых кислот в цитоплазме

(иногда в 5 раз). Источником энергии явля-

ется в основном глюкоза крови, собствен-

ные небольшие запасы гликогена достаточ-

ны лишь на 3—5 мин работы нейрона.

5. Роль дендритов в возникновении воз-

буждения до сих пор дискутируется. Денд-

ритные синапсы удалены на значительное

расстояние от генераторного пункта нейро-

на. По этой причине их ВПСП не могут вы-

звать там должной деполяризации и обеспе-

чить генерацию ПД. Считают, что синапти-

ческий аппарат дендритов проявляет себя

при одновременном поступлении возбужде-

ния к значительному числу дендритных си-

напсов, при этом суммарный дендритный

ВПСП, изменяя мембранный потенциал ге-

нераторного пункта на подпороговом уровне

электротонически, вызывает лишь модуля-

цию его возбудимости, делая возбудимость

большей или меньшей в зависимости от вре-

менных и амплитудных характеристик коле-

баний мембранного потенциала генератор-

ного пункта относительно величины крити-

ческого уровня деполяризации. Данное об-

стоятельство, как выяснилось, может отра-

зиться на выраженности ответной реакции

нейрона при поступлении к нему в этот мо-

мент возбуждений через синапсы тела ней-

рона. В связи с этим дендритные синапсы

получили название модуляторных синапсов.

7.6. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ВОЗБУЖДЕНИЯ В ЦНС

Все особенности распространения возбужде-

ния в ЦНС объясняются ее нейронным стро-

ением — наличием химических синапсов,

многократным ветвлением аксонов нейро-

нов,

наличием замкнутых нейронных путей.

Этими особенностями являются следующие.

Одностороннее

распространение воз-

буждения в нейронных цепях, в рефлектор-

ных дугах. Одностороннее распространение

возбуждения от аксона одного нейрона к телу

или дендритам другого нейрона (но не обрат-

но) объясняется свойствами химических си-

напсов, которые проводят возбуждение толь-

ко в одном направлении.

Замедленное распространение возбуж-

дения в ЦНС по сравнению с нервным во-

локном объясняется наличием на путях рас-

пространения возбуждения множества хими-

ческих синапсов, в каждом из которых до

возникновения ВПСП имеется синаптичес-

кая задержка около 0,5 мс. Время проведе-

ния возбуждения через синапс затрачивается

на выделение медиатора в синаптическую

щель, распространение его до постсинапти-

ческой мембраны, возникновение ВПСП и,

наконец, ПД. Суммарная задержка передачи

возбуждения в нейроне при одновременном

поступлении к нему многих импульсов до-

стигает величины порядка 2 мс. Чем больше

синапсов в нейрональной цепочке, тем

меньше общая скорость распространения по

ней возбуждения. По латентному времени

рефлекса, точнее по центральному времени

рефлекса, можно ориентировочно рассчи-

тать число нейронов той или иной рефлек-

торной дуги.

102

Рис. 7.3. Дивергенция афферент-

ных дорсальных корешков на спи-

нальные нейроны, аксоны кото-

рых образуют многочисленные

коллатерали (А). Конвергенция

эфферентных путей от различных

отделов ЦНС на а-мотонейрон

спинного мозга (Б). РФ

—

ретику-

лярная формация.

Спинальные нейроны

Афференты

.хо-

Рецептор

_£.

Иррадиация (дивергенция) возбуждения в

ЦНС объясняется ветвлением аксонов ней-

ронов (в среднем нейрон образует до 1000

окончаний) и их способностью устанавли-

вать многочисленные связи с другими нейро-

нами, наличием вставочных нейронов, аксо-

ны которых также ветвятся (рис. 7.3, А). Ир-

радиацию возбуждения можно легко наблю-

дать в опыте на спинальной лягушке, когда

слабое раздражение вызывает сгибание од-

ной конечности, а сильное — энергичные

движения всех конечностей и даже туловища.

Дивергенция расширяет сферу действия каж-

дого нейрона. Один нейрон, посылая им-

пульсы в кору большого мозга, может акти-

вировать до 5000 нейронов.

Конвергенция возбуждения (принцип об-

щего конечного пути) — схождение возбуж-

дения различного происхождения по не-

скольким путям к одному и тому же нейрону

или нейронному пулу (принцип воронки

шеррингтона). Объясняется наличием мно-

гих аксонных коллатералей, вставочных ней-

ронов, а также тем, что афферентных путей в

несколько раз больше, чем эфферентных

нейронов. На одном нейроне ЦНС может

располагаться до 10 000 синапсов, в мотоней-

ронах спинного мозга — до 20 000 синапсов.

Явление конвергенции возбуждения в ЦНС

имеет широкое распространение. Примером

может служить конвергенция возбуждений

на спинальном мотонейроне. Так, к одному и

тому же спинальному мотонейрону подходят

первичные афферентные волокна (рис. 7.3,

Б),

а также различные нисходящие пути мно-

гих вышележащих центров ствола мозга и

других отделов ЦНС. Явление конвергенции

весьма важно: оно обеспечивает, например,

участие одного мотонейрона в нескольких

различных реакциях. Мотонейрон, иннерви-

рующий мышцы глотки, участвует в рефлек-

сах глотания, кашля, сосания, чиханья и ды-

хания, образуя общий конечный путь для

многочисленных рефлекторных дуг. На рис.

7.3,

А показаны два афферентных волокна,

каждое из которых отдает коллатерали к 4

нейронам таким образом, что 3 нейрона из

общего их числа, равного 5, образуют связи с

обоими афферентными волокнами. На каж-

дом из этих 3 нейронов конвергируют два

афферентных волокна.

Поскольку на один мотонейрон может

конвергировать множество коллатералей ак-

сонов, до 10—20 тыс., генерация ПД в каждый

момент зависит от общей суммы возбуждаю-

щих и тормозящих синаптических влияний,

ПД возникают лишь в том случае, когда пре-

обладают возбуждающие влияния. Конвер-

генция может облегчать процесс возникнове-

ния возбуждения на общих нейронах в ре-

зультате пространственной суммации подпо-

роговых ВПСП либо блокировать его вслед-

ствие преобладания тормозных влияний.

5. Циркуляция возбуждения по замкнутым

нейронным цепям, которая может продол-

жаться минутами и даже часами (рис. 7.4).

Циркуляция возбуждения — одна из причин

явления последействия. Считают, что цирку-

ляция возбуждения в замкнутых нейронных

цепях — наиболее вероятный механизм фе-

номена кратковременной памяти. Циркуля-

ция возбуждения может осуществляться в

цепи нейронов (Лоренте-де-Но, рис. 7.4, А) и

в пределах одного нейрона в результате кон-

тактов разветвлений его аксона с собствен-

ными дендритами и телом нейрона (И.С.Бе-

ритов, рис. 7.4, Б).

6. Распространение возбуждения в цент-

ральной нервной системе легко блокируется

определенными фармакологическими пре-

паратами, что находит широкое применение

<о

Рис. 7.4. Циркуляция возбуждения в замкнутых

нейронных цепях: А

—

по Лоренто-де-Но; Б

—

по

И.С.Беритову.

1,2,3

—

возбуждающие нейроны.

103

в клинической практике. В физиологических

условиях ограничения распространения воз-

буждения по ЦНС связаны с включением

нейрофизиологических механизмов тормо-

жения нейронов.

Рассмотренные особенности распростра-

нения возбуждения дают возможность по-

дойти к пониманию отличительных свойств

нервных центров.

7.7. СВОЙСТВА НЕРВНЫХ ЦЕНТРОВ

Рассматриваемые ниже свойства нервных

центров связаны с некоторыми особенностя-

ми распространения возбуждения в ЦНС,

особыми свойствами химических синапсов и

свойствами мембран нервных клеток. Основ-

ными свойствами нервных центров являются

следующие.

А. Инерционность — сравнительно мед-

ленное возникновение возбуждения всего

комплекса нейронов центра при поступлении

к нему импульсов и медленное исчезновение

возбуждения нейронов центра после прекра-

щения входной импульсации. Инерцион-

ность центров связана с суммацией возбуж-

дения и последействием.

Явление суммации возбуждения в ЦНС

открыл И.М.Сеченов (1868) в опыте на лягуш-

ке:

раздражение конечности лягушки слабы-

ми редкими импульсами не вызывает реак-

ции, а более частые раздражения такими же

слабыми импульсами сопровождаются ответ-

ной реакцией: лягушка совершает прыжок.

Различают временную (последовательную) и

пространственную суммацию (рис. 7.5). Вре-

менная суммация: на рис. 7.5 слева показана

схема для экспериментального тестирования

эффектов, вызываемых в нейроне ритмичес-

кой стимуляцией аксона. Запись вверху (А)

позволяет видеть, что, если возбуждающие

постсинаптические потенциалы (ВПСП) бы-

стро следуют друг за другом, они суммируют-

ся благодаря своему относительно медленно-

му временному ходу (несколько миллисе-

кунд),

достигая в конце концов порогового

уровня. Временная суммация обусловлена

тем, что ВПСП от предыдущего импульса еще

продолжается, когда приходит следующий

импульс. Поэтому данный вид суммации на-

зывают также последовательной суммацией.

Она играет важную физиологическую роль,

потому что многие нейронные процессы

имеют ритмический характер и, таким обра-

зом, могут суммироваться, давая начало над-

пороговому возбуждению в нейронных объ-

единениях нервных центров. Пространствен-

Рис. 7.5. Суммация возбуждений в нейроне: А

—

временная; Б

—

пространственная.

пая суммация (рис. 7.5, Б): раздельная стиму-

ляция каждого из двух аксонов вызывает под-

пороговый ВПСП, тогда как при одновремен-

ной стимуляции обоих аксонов возникает

ПД — процесс, который не может быть обес-

печен одиночным ВПСП. Пространственная

суммация связана с такой особенностью рас-

пространения возбуждения, как конвергенция.

Последействие — это продолжение воз-

буждения нервного центра после прекраще-

ния поступления к нему импульсов по аффе-

рентным нервным путям. Последействие яв-

ляется результатом ряда причин.

• Длительное существование ВПСП, если

ВПСП является полисинаптическим и вы-

сокоамплитудным. В этом случае при

одном ВПСП возникает несколько ПД.

• Многократные появления следовой депо-

ляризации, что свойственно нейронам

ЦНС.

Если следовая деполяризация до-

стигает Е

кр

, то возникает ПД.

• Циркуляция возбуждения по замкнутым

нейронным цепям (см. рис. 7.4). Первые

две причины действуют недолго: десятки

—

сотни миллисекунд, третья причина (цир-

куляция возбуждения) может продолжать-

ся минуты и даже часы. Таким образом,

особенность распространения возбужде-

ния (его циркуляция) обеспечивает другое

явление в ЦНС — последействие. После-

действие играет важнейшую роль в про-

цессах обучения, в том числе кратковре-

менной памяти.

104

Б.

Фоновая активность нервных центров

(тонус) объясняется: 1) спонтанной актив-

ностью нейронов ЦНС; 2) гуморальными

влияниями биологически активных веществ

(метаболиты, гормоны, медиаторы и др.),

циркулирующих в крови и влияющих на воз-

будимость нейронов; 3) афферентной им-

пульсацией от различных рефлексогенных

зон;

4) суммацией миниатюрных потенциа-

лов,

возникающих в результате спонтанного

выделения квантов медиатора из аксонов,

образующих синапсы на нейронах; 5) цирку-

ляцией возбуждения в ЦНС. Значение фоно-

вой активности нервных центров заключает-

ся в обеспечении некоторого исходного уров-

ня деятельного состояния центра и эффекто-

ров.

Этот уровень может увеличиваться или

уменьшаться в зависимости от колебаний

суммарной активности нейронов нервного

центра-регулятора.

В.

Трансформация ритма возбуждения —

изменение числа импульсов, возникающих

в нейронах центра на выходе относительно

числа импульсов, поступающих на вход дан-

ного центра. Трансформация ритма возбуж-

дения возможна в сторону как увеличения,

так и уменьшения. Увеличению числа им-

пульсов, возникающих в центре в ответ на

афферентную импульсацию, способствуют

иррадиация процесса возбуждения (см. раз-

дел 7.6) и последействие. Уменьшение чис-

ла импульсов в нервном центре объясняется

снижением его возбудимости за счет про-

цессов пре- и постсинаптического тормо-

жения, а также избыточным потоком аф-

ферентных импульсов. При большом пото-

ке афферентных влияний, когда уже все

нейроны центра или нейронного пула воз-

буждены, дальнейшее увеличение афферент-

ных входов не увеличивает число возбуж-

денных нейронов и нервных импульсов на

выходе.

Г.

Большая чувствительность ЦНС к из-

менениям внутренней среды, например к из-

менению содержания глюкозы в крови, га-

зового состава крови, температуры, к вводи-

мым с лечебной целью различным фармако-

логическим препаратам. В первую очередь

реагируют синапсы нейронов. Особенно

чувствительны нейроны ЦНС к недостатку

глюкозы и кислорода. При снижении содер-

жания глюкозы в 2 раза ниже нормы могут

возникнуть судороги. Тяжелые последствия

для ЦНС вызывает недостаток кислорода в

крови. Прекращение кровотока всего лишь

на 10 с приводит к очевидным нарушениям

функций мозга, человек теряет сознание.

Прекращение кровотока на 8—12 мин вызы-

Шшш

(in

Рис.

7.6. Опыт Н.Е.Введенского, иллюстрирую-

щий локализацию утомления в нервном центре.

А:

1 —

раздражение большеберцового нерва, 2

—

раздра-

жение малоберцового нерва.

Б:

1—2

—

отметки раздражения, 3

—

кривая сокращений

полусухожильной мышцы лягушки.

вает необратимые нарушения деятельности

мозга: погибают многие нейроны, в первую

очередь корковые, что ведет к тяжелым пос-

ледствиям.

Д.

Утомляемость нервных центров проде-

монстрировал Н.Е.Введенский в опыте на

препарате лягушки при многократном реф-

лекторном вызове сокращения икроножной

мышцы с помощью раздражения п. tibialis и

п. peroneus. В этом случае ритмическое раз-

дражение одного нерва вызывает ритмичес-

кое сокращение мышцы, приводящее к ос-

лаблению силы ее сокращения вплоть до

полного отсутствия сокращения. Переключе-

ние раздражения на другой нерв сразу же вы-

зывает сокращение той же мышцы, что сви-

детельствует о локализации утомления не в

мышце, а в центральной части рефлекторной

дуги (рис. 7.6), при этом развивается синоп-

тическая депрессия — ослабление реакции

центра на раздражения (афферентные им-

пульсы), выражающееся в снижении постси-

наптических потенциалов во время длитель-

ного раздражения или после него. Она объяс-

няется расходованием медиатора, снижением

чувствительности постсинаптической мем-

браны к медиатору вследствие накопления

метаболитов, закисления среды при длитель-

ном проведении возбуждения по одним и тем

же нейронным цепям.

Е.

Пластичность нервных центров — спо-

собность нервных элементов к перестройке

функциональных свойств. Основные прояв-

ления этого свойства следующие.

Синоптическое

облегчение

—

улучшение

проведения в синапсах после короткого раз-

дражения афферентных путей. Кратковре-

менная активация увеличивает амплитуду

постсинаптических потенциалов. Степень

105

выраженности облегчения возрастает с уве-

личением частоты импульсов; оно макси-

мально, когда импульсы поступают с интер-

валом в несколько миллисекунд.

Длительность синаптического облегчения

зависит от свойств синапса и характера раз-

дражения: после одиночных стимулов оно

выражено слабо, после раздражающей серии

облегчение в ЦНС может продолжаться от

нескольких минут до нескольких часов. По-

видимому, главной причиной возникнове-

ния синаптического облегчения является

накопление Са

в пресинаптических окон-

чаниях, поскольку Са

, который входит в

нервное окончание во время ПД, накапли-

вается там, так как ионная помпа не успева-

ет выводить его из нервного окончания. Со-

ответственно увеличивается высвобождение

медиатора при возникновении каждого им-

пульса в нервном окончании, возрастает

ВПСП. Кроме того, при частом использова-

нии синапсов ускоряются синтез рецепто-

ров,

медиатора и мобилизация пузырьков

медиатора; напротив, при редком использо-

вании синапсов синтез медиаторов умень-

шается — важнейшее свойство ЦНС. Поэто-

му фоновая активность нейронов способст-

вует возникновению возбуждения в нервных

центрах.

Значение синаптического облегчения, по-

видимому, заключается в том, что оно созда-

ет предпосылки улучшения процессов пере-

работки информации на нейронах нервных

центров, что крайне важно, например, для

обучения в ходе выработки двигательных на-

выков, условных рефлексов. Повторное воз-

никновение явлений облегчения в нервном

центре может вызвать переход центра из

обычного состояния в доминантное.

Синоптическая депрессия развивается,

если раздражение продолжается (см. выше:

7.7, Д).

Доминанта — стойкий господствующий

очаг возбуждения в ЦНС, подчиняющий себе

функции других нервных центров. Явление

доминанты открыл А.А.Ухтомский (1923) в

опытах с раздражением двигательных зон

большого мозга, вызывающим сгибание ко-

нечности животного. Как выяснилось, если

раздражать корковую двигательную зону на

фоне сильного повышения возбудимости

другого нервного центра, обычного сгибания

конечности не происходит. Вместо сгибания

конечности раздражение двигательной зоны

вызывает реакцию тех эффекторов, деятель-

ность которых контролируется господству-

ющим, т.е. доминирующим в данный момент

в ЦНС нервным центром.

В эксперименте доминанту можно полу-

чить многократной посылкой афферентных

импульсов к определенному центру, гумо-

ральными на него влияниями. Роль гормонов

в образовании доминантного очага возбужде-

ния демонстрирует опыт на лягушке: весной

у самца раздражение любого участка кожи

вызывает не защитный рефлекс, а усиление

обнимательного рефлекса. В условиях нату-

рального поведения доминантное состояние

нервных центров может быть вызвано мета-

болическими причинами, например жажда,

возникающая при повышении осмолярности

крови.

Доминантный очаг возбуждения облада-

ет рядом особых свойств, главными из ко-

торых являются следующие: инерцион-

ность, стойкость, повышенная возбуди-

мость, способность «притягивать» к себе

иррадиирующие по ЦНС возбуждения, спо-

собность оказывать угнетающее влияние на

центры-конкуренты и другие нервные цен-

тры.

Значение доминантного очага возбужде-

ния в ЦНС заключается в том, что на его

базе формируется конкретная приспособи-

тельная деятельность, ориентированная на

достижение полезных результатов, необходи-

мых для устранения причин, поддерживаю-

щих тот или иной нервный центр в доми-

нантном состоянии. Например, на базе до-

минантного состояния центра голода реали-

зуется пищедобывательное поведение, на

базе доминантного состояния центра жажды

запускается поведение, направленное на

поиск воды. Успешное завершение данных

поведенческих актов в конечном итоге устра-

няет физиологические причины доминантно-

го состояния центров голода и жажды.

Компенсация

нарушенных функций

после

повреждения того или иного центра

—

также

результат проявления пластичности ЦНС.

Хорошо известны клинические наблюдения

за больными, у которых после кровоизлия-

ний в вещество мозга повреждались центры

регуляции мышечного тонуса и акта ходьбы.

Тем не менее со временем отмечалось, что

парализованная конечность у больных посте-

пенно начинает вовлекаться в двигательную

активность, при этом нормализуется тонус ее

мышц. Нарушенная двигательная функция

частично, а иногда и полностью восстанавли-

вается за счет большей активности сохранив-

шихся нейронов и вовлечения в эту функцию

других — «рассеянных» нейронов в коре

большого мозга с подобными функциями.

Этому способствуют регулярные пассивные и

активные движения.

106

7.8. ТОРМОЖЕНИЕ В ЦНС

Торможение — активный нервный процесс,

результатом которого является прекращение

или ослабление возбуждения. Торможение

всегда возникает как следствие возбуждения.

Торможение в ЦНС открыл И.М.Сеченов

(1863).

В опыте на таламической лягушке он

определял латентное время сгибательного

рефлекса при погружении задней конечности

в слабый раствор серной кислоты. Было по-

казано, что латентное время рефлекса значи-

тельно увеличивается, если на зрительный

бугор предварительно положить кристаллик

поваренной соли. Открытие И.М.Сеченова

послужило толчком для дальнейших исследо-

ваний торможения в ЦНС. В частности, об-

наружил проявления торможения у спиналь-

ной лягушки Ф.Гольц (1870). Он также ис-

следовал латентное время рефлекса. При

этом оказалось, что механическое раздраже-

ние кончиков пальцев одной конечности ля-

гушки существенно удлиняет латентный пе-

риод сгибательного рефлекса другой конеч-

ности при погружении ее в раствор кислоты.

Наличие специальных тормозных структур в

продолговатом мозге доказал Х.Мегун (1944).

В опытах на кошках при изучении разгиба-

тельного рефлекса Х.Мегун установил, что

раздражение медиальной части ретикулярной

формации продолговатого мозга тормозит

рефлекторную активность спинного мозга.

Тонкий анализ тормозных явлений в ЦНС

позволил выделить две разновидности тормо-

жения: 1) постсинаптическое торможение и

2) пресинаптическое торможение.

7.8.1.

ПОСТСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ

А. Этот вид торможения открыл Д.Экклс

(1952) при регистрации потенциалов мото-

нейронов спинного мозга у кошки во время

раздражения мышечных афферентов группы

1а. При этом оказалось, что в мотонейронах

мышцы-актагониста регистрируются не де-

поляризация и возбуждение, а гиперполяриза-

ционный постсинаптический потенциал,

уменьшающий возбудимость мотонейрона,

угнетающий его способность реагировать на

возбуждающие влияния. По этой причине

вызванный гиперполяризационный потенци-

ал был назван тормозным постсинаптическим

потенциалом,

ТПСП (рис. 7.7).

У кошки ТПСП регистрируется на 0,5 мс

позже, чем ВПСП, что объясняется наличи-

ем на пути проведения возбуждения, запус-

кающего ТПСП, одного дополнительного си-

ВПСП

Ео

-70

7 мс

ТПСП

Рис. 7.7. Возбуждающий (ВПСП) и тормозящий

(ТПСП) постсинаптические потенциалы.

напса. Амплитуда ТПСП — 1—5 мВ. Он спо-

собен суммироваться; более мощный аффе-

рентный залп вызывает возрастание амплиту-

ды ТПСП.

Б.

Механизм постсинаптического торможе-

ния.

Возбудимость клетки от ТПСП (гиперпо-

ляризационного постсинаптического потен-

циала) уменьшается, потому что увеличивает-

ся пороговый потенциал (AV), так как Е

кр

(критический уровень деполяризации, КУД)

остается на прежнем уровне, а мембранный

потенциал (Ео) возрастает. ТПСП возникает

под влиянием и аминокислоты глицина,

и ГАМК — гамма-аминомасляной кислоты.

В спинном мозге глицин выделяется особыми

тормозными клетками (клетки Реншоу) в си-

напсах, образуемых этими клетками на мем-

бране нейрона-мишени. Действуя на ионо-

тропный рецептор постсинаптической мем-

браны, глицин увеличивает ее проницаемость

для СГ, при этом СП поступает в клетку со-

гласно концентрационному градиенту вопре-

ки электрическому градиенту, в результате

чего развивается гиперполяризация. В бес-

хлорной среде тормозная роль глицина не ре-

ализуется. Ареактивность нейрона к возбуж-

дающим импульсам является следствием ал-

гебраической суммации ТПСП и ВПСП, в

связи с чем в зоне аксонного холмика не про-

исходит выведения мембранного потенциала

на критический уровень. При действии ГАМК

на постсинаптическую мембрану ТПСП раз-

вивается в результате входа СП в клетку или

выхода К

из клетки. Имеются ГАМК-рецеп-

торы двух видов: ГАМК, (ГАМК

) и ГАМК

(ГАМКв). Активация rAMKi-рецепторов

ведет к непосредственному повышению про-

ницаемости клеточной мембраны для хлора.

Активация ГАМК

-рецепторов реализуется с

помощью вторых посредников (цАМФ), при

этом повышается проницаемость для К

и по-

нижается для Са

Как известно, вышедший из клетки К

транс-

портируется обратно в клетку Na/K-помпой, что

и поддерживает градиент его концентрации.

107

Рис. 7.8. Разновидности постсинапти-

ческого торможения.

1 — параллельное; 2 — возвратное; 3

—

лате-

ральное; 4 — прямое; нейроны: светлые —

возбуждающие, черные

—

тормозящие.

По-видимому, и СГ транспортируется в этом -

случае из клетки специальной хлорной помпой,

хотя обычно отмечают, что градиент концент-

рации CI" поддерживается отрицательным элект-

рическим зарядом внутри клетки — СГ вытал-

кивается отрицательным электрическим заря-

дом. Поскольку возникновение ТПСП обеспе-

чивается входом СГ в клетку, это доказывает, что

концентрационный градиент действует сильнее

противоположно направленного электрического

градиента. Отсутствие СГпомпы привело бы к

накоплению СГ в клетке, наступлению равно-

весия между электрическим и химическим (кон-

центрационным) градиентами для СГ и нару-

шению процесса торможения. Но этого не про-

исходит, что подтверждает наличие хлорной

помпы.

Как выяснилось, ТПСП могут возникать

вследствие уменьшения проницаемости мем-

браны для Na

, что также сопровождается ги-

перполяризацией клеточной мембраны, осо-

бенно если проницаемость для К

и СГ со-

храняется прежней. Такого рода ТПСП были

зарегистрированы в нейронах симпатических

ганглиев.

В.

Разновидности постсинаптического тор-

можения. Обычно выделяют возвратное, ла-

теральное, параллельное и прямое (реци-

прокное) постсинаптическое торможение.

Имеются и другие варианты классификаций.

Некоторые авторы называют только два тор-

можения — возвратное и прямое, последнее

трактуется по-разному. В реальной действи-

тельности вариантов торможения больше,

они определяются множеством связей раз-

личных нейронов, в частности их коллатера-

лей.

Возвратное постсинаптическое тормо-

жение — торможение, при котором тормоз-

ные вставочные нейроны действуют на те же

нервные клетки, которые их активируют.

В этом случае развивающееся торможение

бывает тем глубже, чем сильнее было пред-

шествующее возбуждение. Типичным при-

мером возвратного постсинаптического тор-

можения является торможение в мотонейро-

нах спинного мозга. Как показывает рис.

7.8,

2, мотонейроны посылают коллатерали

к тормозным вставочным нейронам, аксоны

которых в свою очередь образуют синапсы

на тех же мотонейронах, которые возбужда-

ют тормозную клетку Реншоу. Такая тор-

мозная цепь называется торможением Рен-

шоу — в честь ученого, который ее открыл,

а тормозные вставочные нейроны в этой

цепи — клетками Реншоу. Это торможение

в центрах мышц-сгибателей и разгибателей

обеспечивает, например, поочередное со-

кращение и расслабление скелетной мыш-

цы,

что необходимо при ходьбе и беге. Сама

клетка Реншоу возбуждается под влиянием

ацетилхолина с помощью Н-холинорецеп-

тора.

Параллельное торможение может вы-

полнять подобную же роль, когда возбужде-

ние блокирует само себя, за счет диверген-

ции по коллатерали с включением тормозной

клетки на своем пути и возвратом импульсов

к нейрону, который активировался этим же

возбуждением (рис. 7.8, 1).

Латеральное постсинаптическое тор-

можение иллюстрируется рис. 7.8, 3. Тор-

мозные вставочные нейроны соединены та-

ким образом, что они активируются импуль-

сами от возбужденного центра и влияют на

соседние клетки с такими же функциями.

В результате в этих соседних клетках разви-

вается очень глубокое торможение. Тормо-

жение такого типа называется латеральным

потому, что образующаяся зона торможения

находится «сбоку» по отношению к возбуж-

денному нейрону и инициируется им. Лате-

ральное торможение играет особенно важ-

ную роль в афферентных системах. Лате-

ральное торможение может образовать тор-

мозную зону, которая окружает возбуждаю-

щие нейроны.

Примером прямого торможения может

служить реципрокное торможение. Оно вы-

зывает угнетение центра-антагониста. На-

пример, при раздражении кожных рецеп-

торов возникает защитный сгибательный

рефлекс: центр сгибания возбужден, а центр

разгибания заторможен. В этом случае воз-

буждающие импульсы поступают к центру

мышцы-сгибателя, а через тормозную клет-

ку Реншоу — к центру мышцы-антагонис-

та — разгибателю, что предотвращает ее со-

кращение (рис. 7.8, 4). Если бы возбуж-

дались одновременно центры мышц сгиба-

телей и разгибателей, сгибание конечнос-

ти в суставе было бы невозможным (см. рис.

8.1).

108

Рис.

7.9. Опыт, доказывающий на-

личие пресинаптического торможе-

ния.

—

схема опыта: 1а

—

афферентный путь |а

от мышечных рецепторов мышц

—

разги- II

бателей (моносинаптическая рефлектор-

]

ная дуга); МЫ — мотонейрон спинного -4J—

мозга; 16 — афферентный путь от сухо- "|ь

жильных рецепторов мышц — сгибате-

лей; ТН

—

тормозящий нейрон; 1 — раз-

дражающие электроды. Б — возбуждение

нейрона. В — низкоамплитудный ВПСП,

не обеспечивающий возникновения ПД.

7.8.2. ПРЕСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ

А. Открытие. Пресинаптическое торможение

первоначально выявлено также в спинном

мозге в опыте с регистрацией активности мо-

тонейронов моносинаптической рефлектор-

ной дуги при раздражении антагонистичес-

ких мышечных нервов. Так, известно, что

раздражение первичных афферентов мышеч-

ных веретен сопровождается возбуждением

гомонимных а-мотонейронов (а-мотонейро-

нов этой же мышцы). Однако опережающее

раздражение афферентов сухожильных ре-

цепторов мышц-антагонистов предотвращает

возбуждение активируемых а-мотонейронов

(рис.

7.9). Мембранный потенциал и возбу-

димость исследуемых а-мотонейронов не из-

менялись либо регистрировался низкоампли-

тудный ВПСП, недостаточный для возник-

новения ПД (рис. 7.9, В). Поскольку в опыте

исследовались мотонейроны в составе моно-

синаптической рефлекторной дуги, было

очевидно: они не возбуждаются вследствие

процессов, происходящих в пресинаптичес-

ком окончании, что определяет название

этого вида торможения.

Б.

Механизм пресинаптического торможе-

ния.

Электрофизиологическое изучение про-

цессов на уровне пресинаптических оконча-

ний в вышеописанном опыте показало, что

здесь регистрируется выраженная и продол-

жительная деполяризация, что и ведет к раз-

витию торможения. В очаге деполяризации

нарушается процесс распространения воз-

буждения — следовательно, поступающие

импульсы, не имея возможности пройти зону

деполяризации в обычном количестве и

обычной амплитуде, не обеспечивают выде-

ления медиатора в синаптическую щель в до-

статочном количестве, поскольку мало ионов

Са

входит в нервное окончание — нейрон

не возбуждается, его функциональное состо-

Спинной мозг Раздражение Раздражение

волокон 1а волокон

1а

с через

20 мс

после

раздражения

волокон

1ь

яние, естественно, остается неизменным. Де-

поляризацию пресинаптической терминали

вызывают специальные тормозные вставоч-

ные клетки, аксоны которых образуют си-

напсы на пресинаптических окончаниях ак-

сона-мишени (см. рис. 7.9). Торможение (де-

поляризация) после одного афферентного

залпа продолжается 300—400 мс, медиатором

является гамма-аминомасляная кислота

(ГАМК), которая действует на ГАМК,-рецеп-

торы.

Деполяризация является следствием по-

вышения проницаемости для СГ, в результа-

те чего он выходит из клетки. По-видимому,

в составе мембран пресинаптических терми-

налей имеется хлорный насос, обеспечиваю-

щий первичный транспорт СГ внутрь клетки

вопреки электрическому градиенту. Под дей-

ствием ГАМК тормозных нейронов и после-

дующего повышения проницаемости мем-

браны для СГ ионы СГ начинают выходить

наружу согласно электрическому градиенту,

но вопреки концентрационному. Это приво-

дит к деполяризации пресинаптических тер-

миналей и ухудшению их способности про-

водить импульсы.

Полагают также, что деполяризация пре-

синаптических терминалей может возник-

нуть при накоплении К

в межклеточной

жидкости в результате повышенной актив-

ности нервных окончаний и соседних нерв-

ных клеток. В этом случае также ухудшается

проводимость пресинаптических терминалей

из-за устойчивого снижения мембранного

потенциала в связи с уменьшением концент-

рационного градиента для К

. Роль ГАМК

рецепторов на пресинаптических окончаниях

изучена недостаточно.

В.

Разновидности пресинаптического тор-

можения изучены недостаточно. По-видимо-

му, имеются те же варианты, что и для пре-

синаптического торможения. В частности, на

109

рис.

7.10 представлено параллельное и лате-

ральное пресинаптическое торможение. Од-

нако возвратного пресинаптического тормо-

жения на уровне спинного мозга (по типу

возвратного постсинаптического торможе-

ния) у млекопитающих обнаружить не уда-

лось,

хотя у лягушек оно выявлено.

В реальной действительности взаимоотно-

шения возбуждающих и тормозных нейронов

значительно сложнее, чем представлено на

рис.

7.8 и 7.10, тем не менее все варианты

пре-

и постсинаптического торможения

можно объединить в две группы: 1) когда

блокируется собственный путь самим рас-

пространяющимся возбуждением с помощью

вставочных тормозных клеток (параллельное

и возвратное торможение) и 2) когда блоки-

руются другие нервные элементы под влия-

нием импульсов от соседних возбуждающих

нейронов с включением тормозных клеток

(латеральное и прямое торможение). По-

скольку тормозные клетки сами могут быть

заторможены другими тормозными нейрона-

ми (торможение), это может облегчить рас-

пространение возбуждения.

7.8.3.

РОЛЬ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

ТОРМОЖЕНИЯ И ИХ ЛОКАЛИЗАЦИЯ

В ЦНС

А. Пре- и постсинаптическое торможение ши-

роко представлено в различных отделах

ЦНС:

в частности, глицин — медиатор пост-

синаптического торможения, кроме клеток

Реншоу, обнаружен в стволе мозга. ГАМК,-

рецепторы локализованы на нейронах гиппо-

кампа, мозжечка, гипоталамуса, коры боль-

шого мозга, аксонах первичных афферент-

ных клеток. ГАМК

-рецепторы расположены

в основном на терминалях моноаминергичес-

ких нервных волокон и при возбуждении

тормозят секрецию медиатора. ГАМКерги-

ческие интернейроны составляют основную

массу тормозных нейронов ЦНС. ГАМК по-

всеместно «сопровождает» глутамат, прекра-

щая его возбуждающее действие. Оба вида

торможения могут быть заблокированы:

постсинаптическое — стрихнином; преси-

наптическое — бикукуллином. Постсинапти-

ческое и пресинаптическое торможение бло-

Рис. 7.10. Разновидности преси-

наптического торможения:

1 — параллельное, 2 — латеральное.

Нейроны: светлые — возбуждающие,

черные

—

тормозящие.

кируется также столбнячным токсином, ко-

торый нарушает высвобождение тормозных

медиаторов.

В заключение необходимо отметить, что в

приведенную классификацию видов тормо-

жения следует внести изменения. Это связа-

но с тем, что ГАМК-рецепторы локализую-

тюся также, кроме пресинаптических терми-

налей, на нервных волокнах и вне синапсов,

на соме и дендритах нейронов, т.е. являются

постсинаптическими.

В последние годы обнаружены тормозные

нейроны, в которых из одного и того же

нервного окончания выделяется два медиато-

ра — ГАМК и глицин. Этот вариант тормоз-

ных нейронов встречается наиболее часто в

спинном мозге и стволе мозга. Таким обра-

зом, в настоящее время известно три вида

тормозных вставочных нейронов: глицинер-

гические, вызывающие постсинаптическое

торможение, ГАМКергические нейроны, вы-

зывающие пре- и постсинаптическое тормо-

жение, и тормозные нейроны смешанного

типа, выделяющие два медиатора

—

глицин и

ГАМК. Поэтому классифицировать торможе-

ние необходимо по двум признакам: по ло-

кализации (пре- и постсинаптическое) и

по природе нейронов (глицинергическое,

ГАМКергическое и смешанное, табл. 7.1).

Таблица 7.1. Торможение в ЦНС

Вид

тормо-

жения

Преси-

напти-

ческое

Постси-

напти-

ческое

Нейроны

ГАМКер-

гические

ГАМКер-

гические

Глицинер-

гические

Рецеп-

торы

TAMKi

ГАМК

Глицин

Ионный

механизм

сг

к^

сг

Блокаторы

Бикукуллин,

столбнячный

токсин

Стрихнин,

столбнячный

токсин

Иногда в качестве разновидности центрально-

го торможения выделяют торможение вслед за воз-

буждением. С точки зрения имеющихся фактов

особым механизмом торможения его считать

нельзя, поскольку оно является результатом сле-

довой гиперполяризации нейронов. Если же вы-

делять этот вид торможения, то его необходимо

ПО