Главная функция ЦНС - обработка внешних и внутренних потоков информации, направленная на удовлетворение потребностей организма. Только при ясном понимании интегративной функции мозга возможно эффективное лечение нервных и психических заболеваний. Клинический опыт, в свою очередь, способствует прояснению функций мозга: безуспешность лечения или неожиданные побочные эффекты лекарственных средств часто служат поводом для поиска ранее неизвестных молекулярных и клеточных механизмов. Одной из самых волнующих проблем современной нейрофармакологии остается связь между процессами, протекающими на уровне нейрона, с одной стороны, и поведением и патологическими нарушениями нервной деятельности - с другой. Общий подход к этой проблеме основан на следующем принципе: препараты, действующие на поведение и эффективные при нервных и психических заболеваниях, либо облегчают, либо затрудняют синаптическую передачу в ЦНС.
Исследования ЦНС включают разные уровни: молекулярный, клеточный, системный и поведенческий. В нейрофармакологии ведущими остаются исследования на молекулярном уровне. Эти исследования позволяют выяснить те ключевые механизмы синаптической передачи, на которые действуют лекарственные средства. Мишенями для этих средств могут быть:
1) ионные каналы, которые обеспечивают реакцию нейрона на медиатор - возбуждение или торможение, 2) рецепторы медиаторов, 3) внутримембранные и внутриклеточные молекулы, которые преобразуют и передают сигнал от рецептора к внутриклеточным эффекторным системам для быстрого кратковременного возбуждения или торможения нейрона либо для продолжительного изменения его состояния - за счет, например, изменения экспрессии генов (Neyroz et al., 1993; Gudermann et al., 1997), 4) белки-переносчики, которые обеспечивают обратный захват медиатора нервными окончаниями, а затем синаптическими пузырьками (Blakely et al., 1994; Amara and Sonders, 1998; Fairman and Amara, 1999); в этих двух процессах участвуют разные белки-переносчики, см. Liu and Edwards (1997).
Исследования на молекулярном уровне предоставляют новые методические возможности (в частности, фармакологический анализ) для изучения процессов на клеточном, системном и поведенческом уровнях и их генетических основ. К настоящему времени известны молекулярные механизмы большинства процессов, протекающих в нейроне. Как известно, электрическую активность нейрона определяет изменение проницаемости его многочисленных ионных каналов. Теперь стали известны многие молекулярные механизмы, от которых зависит избирательный ток главных катионов - Na*, К+, Са и аниона СГ. Ионные каналы подразделяются на потенциалзависимые (рис. 12.2) и хемочувствительные (рис. 12.3). Потенциалзависимые каналы обеспечивают быстрое изменение ионных токов, необходимое для возникновения и распространения нервного импульса, а также для выделения медиатора в ответ на возбуждение пресинаптического окончания (Catterall, 1988,1993). Молекулярно-генетическими методами выявлено сходство в строении главных катионных каналов (рис. 12.2, А). Главная субъединица быстрого натриевого и медленного кальциевого каналов состоит из четырех гомологичных трансмембранных доменов, каждый из которых включает шесть трансмембранных сегментов. Калиевые каналы более разнообразны, что подтверждено методом рентгеноструктурного анализа (Doyle et al., 1998). Главная субъединица ряда потенциалзависимых калиевых каналов состоит из единственного домена, который включает 6 трансмембранных сегментов (рис. 12.2, В). Калиевые каналы аномального выпрямления (Kir) также образованы единственным доменом, но он содержит только пятый и шестой трансмембранные сегменты - между ними находится внутримембранная петля, выходящая на внешнюю поверхность мембраны и формирующая наружное устье канала. Эти две структурные формы образуют различные гетероолигомеры, что создает дополнительные возможности для управления калиевыми каналами - в ответ на изменение мембранного потенциала, действие медиатора, а также через систему внутриклеточных белков или за счет посттрансляционных модификаций (Krapivinsky etal., 1995). Изучение различных структурных форм калиевых каналов (Jan etal., 1997; Doyle etal., 1998) позволяет выяснить, каким образом лекарственные средства, токсины или электростимуляция действуют на электрическую активность нейрона, придавая ему, например, спонтанную активность или вызывая его гибель вследствие постоянного пребывания калиевых каналов в открытом состоянии (Adams and Swanson, 1994).
Различные варианты калиевых каналов (калиевые каналы задержанного выпрямления, кальцийзависимые калиевые каналы и калиевые каналы гиперполяризующего тока), которые регулируются системой вторых посредников, обеспечивают в синапсах ЦНС сложные модулирующие эффекты (Nicoll et al., 1.99ц-Malenka and Nicoll, 1999).
Исследования на клеточном уровне позволяют выяснить, какие именно нейроны и какие их ближайшие синаптические контакты имеют отношение к поведенческим эффектам лекарственного препарата. Такие исследования устанавливают характер взаимодействия нейронов - возбуждение, торможение или более сложные формы синаптических эффектов (Aston-Jones etal., 1999; Brown etal., 1999).
Системный уровень объединяет данные о структуре и функции медиаторных систем, то есть устанавливает связь между нейронами, которые синтезируют и выделяют медиатор, и поведенческим эффектом, который этот медиатор вызывает. Связей «медиатор-поведение» найдено достаточно много, хотя ни в одном из этих случаев нельзя утверждать, что за данный вид поведения отвечают только те нейроны, которые вырабатывают соответствующий медиатор.
Рисунок 12.2. Строение потенциалзависимых ионных каналов. А. Альфа-субъединица быстрого натриевого и медленного кальциевого каналов состоит из четырех гомологичных доменов, каждый из которых включает шесть трансмембранных сегментов; между пятым и шестым трансмембранными фрагментами находится внутримембранная петля. Б. В состав медленного кальциевого канала входят также мелкие дополнительные субъединицы а2, Р, у и 6. Субъединицы а2 и 8 соединены дисульфидной связью (на рисунке не показана). В структуре натриевого канала тоже есть дополнительные регуляторные субъединицы. В. Главная субъединица потенциалзависимого калиевого канала задержанного выпрямления состоит из единственного трансмембранного домена - аналогичного соответствующим доменам натриевого и кальциевого каналов. Предполагаемая структура калиевых каналов аномального выпрямления К|г включает субъединицу, состоящую издомена.в котором представлены только 5-й и 6-й трансмембранные сегменты. Дополнительные р-субъединицы модулируют активность потенциалзависимых калиевых каналов (Kv). Эти два типа структур могут образовывать различные гетероолигомеры. Krapivinsky et al., 1995.
Рисунок 12.3. Строение рецепторов, сопряженных с ионными каналами. Такие рецепторы состоят из четырех или пяти субъединиц, окружающих пору ионного канала (справа). Каждая субъединица включает 4 трансмембранных домена. Предполагают, что такую структуру имеют N-холинорецепторы, 5-НТ3-рецепторы, ГАМКд-рецепторы и глициновые рецепторы. Глутаматные рецепторы имеют несколько другое строение.
Исследования на поведенческом уровне позволяют понять интегративные процессы - то есть отнести ту или иную группу нейронов к специализированным нейронным контурам, нейронным ансамблям или распределенным системам, ответственным за реализацию поведения в целом - от элементарных рефлексов до сложных форм произвольной активности. Моделирование психических заболеваний на животных имеет в своей основе следующий принцип: состояние животного и состояние человека можно считать аналогичными, если им соответствуют аналогичные изменения физиологических показателей: ритма сердца, дыхания, двигательных реакций и т. д. (Kandel, 1998).
Определение центральных медиаторов
Для понимания функций центральных медиаторов важно определить, какие вещества к ним относятся. Критерии, которым должны соответствовать медиаторы ЦНС, в принципе, те же, что и для вегетативной нервной системы.
- Медиатор должен присутствовать в пресинаптическом нейроне и его окончании. Более строгая формулировка этого условия требует доказательств того, что пресинаптический нейрон синтезирует медиатор, а не накапливает его из внеклеточного пространства. Соответствие данному критерию проверяют методами иммуноцитохимии, флюоресцентной гибридизации in situ, при помощи биохимического анализа ткани мозга или субклеточных фракций.
В опытах на животных эти методы позволяют проверить, исчез ли предполагаемый медиатор из синаптической области после хирургического или химического разрушения пресинаптических нейронов. Соответствие критерию подтверждает присутствие в постсинаптических нейронах мРНК, кодирующей рецепторы данного медиатора.
- Медиатор должен выделяться при возбуждении пресинаптического нейрона. Соответствие данному критерию проверяют в экспериментах in vivo: при электрической стимуляции пресинаптического волокна предполагаемый медиатор должен появиться в области синапса. Раньше для этого применяли периодическое определение состава омывающего синапс перфузата в течение длительного времени, однако сегодня появились методы микродиализа и микроэлектродной полярографии, позволяющие с высокой точностью уловить присутствие аминов и аминокислот в ограниченном объеме и за короткое время. Появление медиатора в ответ на ионофоретическую или электрическую стимуляцию можно проследить in vitro - на срезах мозга или субклеточных фракциях пресинаптических окончаний. Механизм выделения всех медиаторов, в том числе и предполагаемого выделения медиаторов из дендритов (Morris et al., 1998), запускается изменением мембранного потенциала и требует поступления в пресинаптическое окончание ионов кальция. Ионы натрия не играют в этом процессе какой-либо роли, поскольку ни внеклеточная концентрация натрия, ни тетродотоксин (блокатор быстрых натриевых каналов) на выделение медиаторов не влияют.
- Аппликация медиатора на клетки-мишени должна вызывать тот же эффект, что и стимуляция пресинаптического волокна. Предполагаемый медиатор и стимуляция пресинаптического волокна должны действовать на клетку-мишень одинаково: либо тормозить, либо возбуждать ее. Для более строгого доказательства требуется показать, что как стимуляция пресинаптического нейрона, так и аппликация предполагаемого медиатора вызывают в постсинаптическом нейроне одинаковые ионные токи. Соответствие данному критерию можно проверить и фармакологически: эффект стимуляции пресинаптического нейрона и эффект аппликации предполагаемого медиатора должны устраняться одинаковой дозой одного и того же блокатора. При этом данный блокатор не должен подавлять ответ клетки-мишени на стимуляцию других пресинаптических волокон и на аппликацию других предполагаемых медиаторов. Наконец, эффект предполагаемого медиатора должен совпадать с эффектом его синтетического агониста.
Многочисленные исследования, особенно посвященные пептидам, показывают, что центральные синапсы могут содержать не один, а несколько медиаторов (Hokfelt et al., 2000). Строгих доказательств пока нет, тем не менее предполагают, что совместно локализованные медиаторы вместе высвобождаются и вместе действуют на постсинаптическую мембрану (Derrick and Martinez, 1994; Jin and Chavkin, 1999). Если же сигналы передает не один медиатор, то единственный агонист не может точно воспроизвести эффект активации синапса, а единственный блокатор не может полностью этот эффект устранить.
Открытие центральных медиаторов
Первыми кандидатами на роль центральных медиаторов стали ацетилхолин и норадреналин - как хорошо известные медиаторы вегетативной и соматической нервной системы. В 1960-х гг. возникло предположение, что медиаторами ЦНС могут быть серотонин, адреналин и дофамин. Гистохимические, биохимические и фармакологические исследования в целом подтвердили их медиаторную роль, хотя и не обнаружили полного соответствия всем критериям, определяющим медиатор. В начале 1970-х гг. медиаторами были признаны ГАМК, глицин и глутамат - благодаря появлению избирательных, высокоактивных блокаторов. Проходившие тогда же исследования гормонов гипоталамо-гипофизарной системы сопровождались совершенствованием методов выделения, очищения, определения аминокислотной последовательности и синтеза все новых и новых нейропептидов (Hokfelt et al., 2000). Иммуногистохимические исследования показали, что пептиды могут действовать как медиаторы ЦНС. Адаптация биологических проб, которые ранее применялись в исследованиях гормонов гипофиза, к другим моделям (например, сокращению гладких мышц), а затем внедрение иммунохимических методов привели к открытию эндогенных пептидов, действующих на опиатные рецепторы (гл. 23). Затем был предпринят поиск эндогенных соединений, способных связываться с бензодиазепиновыми рецепторами (Costa and Guidotti, 1991). Сравнительно недавно были выявлены эндогенные лиганды каннабиноидных рецепторов - амиды жирных кислот (Piomelli etal., 1998).
Изучение рецепторов
До недавнего времени о свойствах центральных рецепторов судили по связыванию меченых лигандов, а также по электрическим или биохимическим процессам, вызванным их активацией in vivo и in vitro. Изучение связывания меченых лигандов позволяет оценить количество рецепторов в том или ином отделе ЦНС, проследить их появление в филогенезе и онтогенезе, а также выяснить, как различные физиологические и фармакологические вмешательства действуют на количество рецепторов и их сродство к лигандам (Dumont et al., 1998; Redrobeetal., 1999).
Электрофизиологическими методами оценивают реакцию нейрона на медиатор. Например, регистрируют изменение электрической активности нейрона в ответ на ионофоретическую аппликацию медиатора. Метод локальной фиксации (patch-clamp) позволяет проследить реакцию на медиатор отдельных ионных каналов. Электрофизиологические методы дают возможность не только описать, но и измерить эффекты предполагаемого медиатора(Jardemarketal., 1998). Биохимическими методами изучают рецепторы, активация которых вызывает ферментативную реакцию, например синтез второго посредника.
Современные методы молекулярной биологии позволили выделить мРНК, кодирующие рецепторы почти всех известных медиаторов. Введение такой мРНК в чужеродные клетки (ооциты лягушки или клетки млекопитающих) вызывает в них экспрессию рецепторов, свойства которых оценивают по эффектам лигандов или синтезу вторых посредников. Молекулярно-генетическими методами установлены два основных типа рецепторов, различных по структуре и функции. Рецепторы, сопряженные с ионными каналами (ионотропные рецепторы, рецепторы-каналы, хемочувствительные каналы) образованы несколькими субъединицами. Каждая субъединица включает 4 трансмембранных гидрофобных домена из 20-25 аминокислот (рис. 12.3). Кроме того, у таких рецепторов имеются участки для обратимого фосфорилирования, а также участки, реагирующие на изменение мембранного потенциала. К подобным рецепторам относятся N-холинорецепторы (гл. 2 и 7), рецепторы аминокислот И ГАМК, глицина, глутамата и аспарта-та, а также 5-НТ3-рецепторы (гл. 11).
Второй главный тип рецепторов - рецепторы, сопряженные с G-белками (гл. 2). Они состоят из единственной субъединицы с семью трансмембранными доменами, соединенными тремя внеклеточными и тремя внутриклеточными петлями разной длины (рис. 12.4). Стимуляция таких рецепторов приводит к активации G-белков (гетеротримерных ГТФ-связывающих белков), что, в свою очередь, вызывает активацию либо ингибирование внутриклеточных эффекторных ферментов (например, аденилатциклазы или фосфолипазы С) или изменение функционирования ионных каналов (например, медленных кальциевых каналов или хемочувствительных калиевых каналов). Кроме того, сами эти рецепторы могут фосфорилироваться в нескольких участках. Механизмы всех этих процессов были подробно изучены с помощью молекулярно-генетических методов. К подобным рецепторам относятся М-холинорецепторы, ГАМКв-рецепторы, некоторые глутаматные рецепторы, а также некоторые рецепторы аминов и нейропептидов. Трансфекция клеток с целью экспрессии в них мРНК, кодирующей неизвестные типы рецепторов, привела к открытию новых нейропептидов (Reinscheid et al., 1995). В ЦНС существуют также рецепторы еще одного типа - рецепторы с собственной ферментативной активностью, например гуанилатциклазной (гл. 2).
Рисунок 12.4. Строение рецепторов, сопряженных с G-белками. Такие рецепторы состоят из единственной субъединицы с семью трансмембранными доменами. Участок связывания низкомолекулярных медиаторов погружен в мембрану; вторая и третья внутриклеточные петли взаимодействуют с G-белком (гл. 2).
В центральных синапсах присутствуют также белки-пере-носчики, обеспечивающие обратный захват медиатора - из синаптической щели в аксоплазму пресинаптического окончания, и из аксоплазмы в синаптические пузырьки (рис. 12.5). Предполагают, что они включают 12 трансмембранных доменов - так же как и белки - переносчики глюкозы и аденилатциклаза млекопитающих (Tang and Gilman, 1992).
Реакция постсинаптического нейрона на медиатор определяется его возбудимостью и количеством рецепторов медиатора. Продолжительный избыток медиатора (или его аналога) ведет к снижению количества рецепторов, а следовательно, и чувствительности к медиатору (десенситизации). Напротив, при дефиците медиатора количество рецепторов возрастает, и чувствительность к медиатору повышается. Эти адаптивные изменения особенно важно учитывать при лечении хронических заболеваний ЦНС: действие препарата при однократном и длительном приеме может сильно отличаться. Сходные изменения действуют и на пресинаптическом уровне, затрагивая синтез, хранение, высвобождение и обратный захват медиатора.
Медиаторы, нейрогормоны и нейромодуляторы
Медиаторы
Из приведенных выше критериев следует, что медиатор - это вещество, которое нейрон синтезирует, выделяет и использует для передачи сигнала постсинаптической клетке-мишени. Действие медиатора может быть направлено как непосредственно на электрическую активность клетки-мишени, так и на протекающие в ней биохимические процессы, от которых зависит ее ответ на другие синаптические входы. К тому же эффект медиатора может зависеть от состояния клетки-мишени, то есть не столько вызывать возбуждение или торможение, сколько усиливать эти процессы (Bourne and Nicoll, 1993). Таким образом, эффект любого медиатора необходимо рассматривать в контексте нейронной системы, включающей данный синапс. Если один нейрон действует на несколько клеток-мишеней, действие это может быть как разным, так и одинаковым - все зависит от свойств постсинаптических рецепторов и способа, которым сигнал передается от рецептора к эффекторным механизмам клетки.
Известны два классических электрофизиологических эффекта медиаторов: 1) возбуждение: открывание ионных каналов приводит ко входу катионов и к деполяризации, мембранное сопротивление при этом снижается, 2) торможение: открывание ионных каналов приводит к таким ионным токам, в результате которых развивается гиперполяризация, мембранное сопротивление также снижается. Но есть и другие, «неклассические» варианты действия медиаторов. Как деполяризация, так и гиперполяризация могут быть обусловлены, напротив, закрыванием ионных каналов; мембранное сопротивление в этом случае повышается (Shepherd, 1998). Некоторые медиаторы (моноамины и некоторые пептиды) сами по себе мало влияют или вообще не влияют на ионные токи и мембранный потенциал, но при этом могут усиливать или подавлять реакцию клетки-мишени на классический - возбуждающий или тормозный - медиатор. Такой эффект назван модулирующим; предполагается, что существуют разные его варианты (Nicoll etal., 1990; Foote and Aston-Jones, 1995). Каковы бы ни были механизмы модулирующего действия, оно существенно отличается от вышеописанных быстрых и точных возбуждающих и тормозных влияний - к которым, как считали раньше, сводятся все варианты синаптической передачи. Возникло даже сомнение в том, что вещества, оказывающие модулирующее влияние, можно причислять к медиаторам. Кратко остановимся на некоторых из таких веществ и механизмах их действия.
Нейрогормоны
Некоторые клетки гипоталамуса были названы нейросекреторными - поскольку они одновременно представляют собой и нейроны (получают синаптические входы от нейронов ЦНС), и эндокринные клетки (высвобождают вещества непосредственно в кровь). Вещества, выделяемые такими клетками, стали называть нейрогормонами. Примером могут быть и АДГ, которые вырабатываются в нейронах гипоталамуса, хранятся в окончаниях их аксонов в нейрогипофизе и отсюда секретируются в кровь. Вместе с тем стало известно, что эти нейроны гипоталамуса образуют синапсы на других нейронах (Hokfelt et al., 1995, 2000), а роль медиатора в таких синапсах, как показали цитохимические исследования, выполняют окситоцин и АДГ. Таким образом, эти и другие вырабатываемые гипоталамусом вещества можно называть «нейрогормонами» лишь постольку, поскольку они способны выделяться в кровь (например, в нейрогипофизе), однако этот термин ни в коей мере не отражает всех их функций.
Нейромодуляторы
Флори (Florey, 1967) назвал нейромодуляторами соединения, которые действуют на нейроны иначе, чем типичные медиаторы. Модуляторы выделяются вне синапса, но тем не менее влияют на возбудимость нервных клеток. Флори предполагал, что роль нейромодуляторов могут выполнять С02 и аммиак, которые высвобождаются из активных нейронов и глии. В настоящее время считают, что нейромодуляторным действием обладают стероидные гормоны, нейростероиды (Baulieu,1998), аденозин и другие пурины, простагландины и другие производные арахидоновой кислоты, а также NO (Gaily et al., 1990). Вторые посредники. В некоторых случаях реакция постсинаптического нейрона на медиатор обусловлена образованием вторых посредников, наиболее известными из которых служат цАМФ, цГМФ и продукты фосфоинозитидной системы (гл. 6, 7,10,11). Вместе с тем для нейронов головного мозга бывает методически трудно доказать, что изменение концентрации этих веществ непосредственно предшествует постсинаптическому потенциалу, а также необходимо и достаточно для его возникновения. Возможно, вторые посредники только способствуют возникновению постсинаптического потенциала - активируя реакцию фосфорилирования белков и тем самым запуская сложный каскад молекулярных событий. В результате меняются свойства мембраны и белков цитоплазмы, от которых зависит возбудимость нейрона (Greengard et al., 1999). Именно на эти механизмы могут действовать препараты, усиливающие или ослабляющие эффекты медиаторов (см. ниже).
Нейротрофические факторы
Нейроны, астроциты и микроглия, а также временно появляющиеся в ткани мозга (например, при воспалении) клетки иммунной системы синтезируют вещества, которые поддерживают рост, выживание и восстановление нейронов. Такую функцию выполняют различные вещества пептидной природы, подразделяемые на 7 видов (Black, 1999; McKay et al., 1999): 1) классические нейротрофины, например фактор роста нервов, мозговой нейротрофический фактор, 2) нейропоэтины (нейропоэтические цитокины), которые оказывают действие как на нейроны, так и на миелоидные клетки, например лейкоз-ингибирующий фактор, цилиарный нейротрофический фактор, некоторые интерлейкины, 3) пептидные факторы роста, включающие эпидермальный фактор роста, трансформирующие факторы роста а и β, глиальный нейротрофический фактор, активин А, 4) фактор роста фибробластов, 5) инсулиноподобные факторы роста, 6) тромбоцитарные факторы роста, 7) факторы, направляющие рост аксонов, - некоторые из них способны привлекать клетки иммунной системы (Song and Poo, 1999; Spriggs, 1999). Препараты, активирующие синтез и выделение нейротрофинов либо имитирующие их действие, могли бы стать эффективным средством для стимуляции восстановительных процессов.
Рисунок 12.5. Предполагаемое строение белков-переносчиков. Белки - переносчики аминов и аминокислот как пресинаптической мембраны, так и синаптических пузырьков включают 12 трансмембранных доменов (точная ориентация N-концевых остатков не известна). В остальном структура этих двух видов белков-переносчиков несколько отличается.
Центральные медиаторы
Многие препараты, действующие на ЦНС, вмешиваются в медиаторную передачу. Таким образом, для понимания эффектов этих препаратов необходимо знать механизмы действия центральных медиаторов. Согласно гипотезе химической специфичности, или принципу Дейла (Dale, 1935), один нейрон синтезирует один медиатор, который и выделяет во всех своих пресинаптических окончаниях. Однако все больше и больше данных свидетельствует о том, что нейрон может содержать несколько медиаторов (Hokfelt et al., 1995, 2000). Таким образом, принцип Дейла видоизменяется следующим образом: нейрон синтезирует и выделяет один и тот же набор медиаторов во всех своих пресинаптических окончаниях. Но и такое прочтение вряд ли можно считать окончательным. Не ясно, например, вырезается ли из пептида-предшественника только один, одинаковый пептид, предназначенный для всех окончаний нейрона. В табл. 12.1 обобщены свойства наиболее изученных медиаторов ЦНС. Далее медиаторы будут рассмотрены по химическим группам: аминокислоты, амины и пептиды. К другим соединениям, которые участвуют в синаптической передаче, относятся пурины, например аденозин и АТФ (Edwards and Robertson, 1999; Moreau and Huber, 1999; Baraldi et al., 2000), а также NO (Cork et al., 1998) и производные арахидоновой кислоты (Mechoulam et al., 1996; Piomelli et al., 1998).
Аминокислоты
Для ЦНС характерна высокая концентрация некоторых аминокислот - особенно глутамата и ГАМК. Эти простые соединения есть почти во всех структурах мозга, они оказывают немедленное, мощное и кратковременное действие на любой нейрон. Для истинных же медиаторов характерна избирательность - как в распределении, так и в действии. Поэтому медиаторную роль аминокислот признали не сразу. Моноаминодикарбоновые аминокислоты дают сильный возбуждающий эффект, моноаминомонокарбоновые (ГАМК, глицин, β-аланин, таурин) оказывают столь же сильное, но тормозное действие (Kelly and Beart, 1975). Появление избирательных блокаторов открыло возможность для выявления рецепторов аминокислот и обнаружения их подтипов. Последующее картирование рецепторов мечеными лигандами окончательно подтвердило, что ГАМК, глицин и глутамат - центральные медиаторы.
ГАМК
Присутствие ГАМК в ткани мозга было обнаружено в 1950 г. - но ее тормозное действие распознали не сразу. При изучении рецепторов растяжения ракообразных были обнаружены следующие факты: 1) ГАМК оказывает тормозное действие на мышцы, 2) она содержится исключительно в тормозных нервах, 3) экстракт этих нервов оказывает такое же тормозное действие, 4) иной тормозной аминокислоты обнаружено не было, 5) выделение ГАМК коррелирует с частотой стимуляции тормозных нервов, 6) аппликация ГАМК и стимуляция тормозных нервов вызывали одинаковый эффект: повышение хлорной проводимости в мышечном волокне. Эти факты позволили с полным правом причислить ГАМК к медиаторам (подробнее об истории вопроса см. в обзоре Bloom, 1996).
Вскоре было выяснено, что в ЦНС млекопитающих ГАМК оказывает сходные физиологические и фармакологические эффекты. Оказалось, что ГАМК опосредует действие тормозных нейронов локальных контуров головного мозга, а также пресинаптическое торможение в спинном мозге. Тормозные ГАМКергические синапсы есть во многих структурах мозга: их образуют клетки Пуркинье коры мозжечка на нейронах ядра Дейтерса; вставочные нейроны на клетках Пуркинье, обонятельной луковицы, клиновидного ядра продолговатого мозга, гиппокампа, латерального ядра прозрачной перегородки; нейроны вестибулярных ядер на мотонейронах ядра блокового нерва. ГАМК обеспечивает торможение в коре больших полушарий, а также тормозное действие стриатума на черную субстанцию. Таким образом, ГАМК - это главный тормозный медиатор в ЦНС млекопитающих. Локализация ГАМКергических нейронов и распределение их нервных окончаний установлены методами, позволяющими обнаружить глутаматдекарбоксилазу - фермент синтеза ГАМК из глутаминовой кислоты. Иммуноцитохимические методы выявляют сам фермент, флюоресцентная гибридизация in situ - кодирующую его мРНК. Многие ГАМКергические нейроны содержат также один или несколько нейропептидов. Для исследований ГАМКергической передачи используют блокаторы рецепторов ГАМК - бикукуллин и пикротоксин. Избирательными антагонистами ГАМК оказались также многие вещества, провоцирующие судорожную активность, например пенициллин и пентетразол (Macdonald et al., 1992; Macdonald and Olsen, 1994). Пока не ясно, обладают ли терапевтическим действием агонисты ГАМК - стимуляторы рецепторов ГАМК (мусцимол), ингибиторы ее обратного захвата (2,4-диа-миномасляная кислота, нипекотиновая кислота, гувацин) или вещества, влияющие на ее обмен (например, аминооксиуксусная кислота).
Рецепторы ГАМК подразделяют на два типа. Наиболее распространенные ГАМКд-рецепторы относятся к ионотропным: они представляют собой хемочувствительные хлорные каналы, о
Медиаторы (от лат. mediator - посредник) - вещества, при посредстве которых осуществляется передача возбуждения с нерва на органы и с одного нейрона на другой.
Систематические исследования химических посредников нервного влияния (нервных импульсов) начались с классических опытов Леви (О. Loewi).
Последующие исследования подтвердили результаты опытов Леви на сердце и показали, что не только в сердце, но и в других органах парасимпатические нервы осуществляют свое влияние через посредство медиатора ацетилхолина (см.), а симпатические - медиатора норадреналина. Далее было установлено, что соматическая нервная система передает свои импульсы скелетной мускулатуре при участии медиатора ацетилхолина.
При посредстве медиаторов осуществляется также передача нервных импульсов с одного нейрона на другой в периферических ганглиях и ЦНС
Дейл (Н. Dale), основываясь на химической природе медиатора, делит нервную систему на холинергическую (с медиатором ацетилхолином) и адренергическую (с медиатором норадреналином). К холинергическим относятся постганглионарные парасимпатические нервы, преганглионарные парасимпатические и симпатические нервы и двигательные нервы скелетной мускулатуры; к адренергическим - большая часть постганглионарных симпатических нервов. Симпатические сосудорасширяющие нервы и нервы потовых желез, по-видимому, принадлежат к холинергическим. В ЦНС обнаружены как холинергические, так и адренергические нейроны.
Продолжают интенсивно изучаться вопросы: ограничивается ли нервная система в своей деятельности только двумя химическими посредниками - ацетилхолином и норадреналином; какими медиаторами обусловлено развитие процесса торможения. В отношении периферической части симпатической нервной системы имеются данные, что тормозное влияние на деятельность органов осуществляется посредством адреналина (см.), а стимулирующее - норадреналина. Флори (Е. Florey) извлек из ЦНС млекопитающих тормозящее вещество, названное им фактор J, которое, возможно, содержит тормозной медиатор. Фактор J обнаружен в сером веществе головного мозга, в центрах, связанных с корреляцией и интеграцией двигательных функций. Он идентичен аминогидроксимасляной кислоте. При приложении фактора J к спинному мозгу развивается торможение рефлекторных реакций, особенно блокируются сухожильные рефлексы.
В некоторых синапсах у беспозвоночных роль тормозящего медиатора играет гамма-аминомасляная кислота.
Некоторые авторы стремятся приписать медиаторную функцию серотонину. Концентрация серотонина высока в гипоталамусе, среднем мозге и в сером веществе спинного мозга, ниже-в больших полушариях, мозжечке, дорсальных и вентральных корешках. Распределение серотонина в нервной системе совпадает с распространением норадреналина и адреналина.
Однако присутствие серотонина в частях нервной системы, лишенных нервных клеток, заставляет предполагать, что это вещество не имеет отношения к медиаторной функции.
Медиаторы синтезируются в основном в теле неврона, хотя многие авторы признают возможность дополнительного синтеза медиаторов и в аксональных окончаниях. Синтезируемый в теле нервной клетки медиатор транспортируется по аксону к его окончаниям, где медиатор выполняет свою основную функцию передачи возбуждения на эффекторный орган. Вместе с медиатором по аксону транспортируются и ферменты, обеспечивающие его синтез (например, холинацетилаза, синтезирующая ацетилхолин). Освобождаясь в пресинаптических нервных окончаниях, медиатор диффундирует через синаптическое пространство к постсинаптической мембране, на поверхности которой он соединяется со специфической хеморецептивной субстанцией, что и оказывает либо возбуждающее (деполяризующее), либо тормозящее (гиперполяризующее) действие на мембрану постсинаптической клетки (см. Синапс). Здесь же медиатор разрушается под влиянием соответствующих ферментов. Ацетилхолин расщепляется холинэстеразой, норадреналин и адреналин - главным образом моноаминоксидазой.
Таким образом, эти ферменты регулируют время действия медиатора и степень его распространения к соседним структурам.
См. также Возбуждение, Нейрогуморальная регуляция.
Классификация синапсов ЦНС проводится по нескольким признакам. По типу соединяемых клеток выделяют следующие синапсы: межнейронные , локализующиеся в ЦНС и вегетативных ганглиях; нейроэффекторные (нейромышечные и нейросекреторные), соединяющие эфферентные нейроны соматической и вегетативной нервной системы с исполнительными клетками (поперечнополосатыми, и гладкими мышечными волокнами, секреторными клетками); нейрорецепторные (контакты во вторичных рецепторах между рецепторной клеткой и дендритом афферентного нейрона0.
По морфологической организации различают: аксосомаические, аксодендритные, аксоаксонные, дендросоматические, дендродендритные.
По способу передачи сигналов - химические синапсы, в которых посредником (медиатором) передачи является химическое вещество; электрические , в которых сигналы передаются электрическим током; смешанные синапсы - электрохимические.
По функциональному эффекту - возбуждающиие и тормозящие .
2.2.1 Химические синапсы и медиаторы .
Химические синапсы по природе медиатора делят на холинергические (медиатор – ацетилхолин), адренергические (нарадреналин), дофаминергические (дофамин), ГАМК – ергические (гамма – аминомасляная кислота) и т. д.
К структурным элементам химического синапса относятся: пресинаптическая и постсинаптическая мембраны, синаптическая щель (Рис. 24).
В пресинаптическом окончании находятся синаптические пузырьки (везикулы) диаметром до 200 нм. Они образуются в теле нейрона и с помощью быстрого аксонного транспорта доставляются в пресинаптическое окончание, где заполняются нейротрансмиттером, или медиатором (передатчиком). В пресинаптическом окончании содержатся митохондрии, обеспечивающие энергией процессы синаптической передачи. Эндоплазматическая сеть содержит депонированый Са++. Микротрубочки и микрофиламентыы участвуют в передвижении везикул. Связывание Са++ с белками оболочки везикул приводит к экзоцитозу медиатора в синаптическую щель.
Синаптическая щель имеет ширину от 20 до 50 нм, содержит межклеточную жидкость и мукаполисахаридное плотное вещество для обеспечения связей между пре- и постсинаптической мембранами, а также ферменты.
На постсинаптической мембране синапса содержатся хеморецепторы, способные связывать молекулы медиатора. Известны два типа рецепторов на постсинаптической мембране – ионные рецепторы , которые содержат ионный канал, открывающийся при связывании молекул медиатора с определенным местом (узнающий центр) на молекуле рецептора; метаботропные рецепторы , открывающие ионный канал опосредованно через цепочку биохимических реакций, в частности посредством активации синтеза специальных молекул, так называемых вторичных посредников (месенджеров) Роль вторичных посредников могут выполнять такие вещества, как ц.ГТФ, ц.АМФ, ионы кальция. Они запускают в клетке многие биохимические реакции, связанные с синтезом белка, активацией ферментов и т. д.
Рис. 24. Цетральные синапсы
В центральной нервной системе медиаторную функцию выполняет не одно вещество, а разнородная группа веществ.
Существует несколько критериев, согласно которым то или иное вещество может быть отнесено к медиаторам для данного вида синапсов.
1. Это вещество должно присутствовать в достаточном количестве в пресинаптических нервных окончаниях, где должна существовать и энзиматическая система для его синтеза. Синтезирующая система может быть локализована и в другом месте, но вещество должно подаваться к месту действия.
2. При стимуляции пресинаптических нейронов или нервов это вещество должно выделяться из окончаний в достаточном количестве.
3. При искусственном введении активирующее или угнетающее действие этого вещества на постсинаптическую клетку должно быть тождественным с эффектом стимуляции пресинаптического нерва
4. В области синаптической щели должна существовать энзиматическая система, которая инактивирует данное вещество после осуществления его действия и, таким образом, делает возможным быстрое возвращение постсинаптической мембраны в состояние готовности.
5. На постсинаптической мембране должны находиться рецепторы, обладающие высоким сродством к данному веществу.
Ацетилхолин является достаточно широко распространенным возбуждающим медиатором в ЦНС. Он был открыт в 30 – х годах австрийским ученым О. Леви. По химической природе ацетилхолин является уксуснокислым эфиром холина и образуется при ацетилировании холина с участием фермента ацетилхолинтрансферазы. После высвобождения из пресинаптических окончаний ацетилхолин быстро разрушается с помощью фермента ацетилхолинэстеразы.
К холинергичеким нейронам относятся альфа – мотонейроны спинного мозга. С помощью ацетилхолина альфа – мотонейроны по коллатералям своих аксонов передают возбуждающее влияние на тормозные клетки Реншоу.
Обнаружены два типа рецепторов, чувствительных к ацетилхолину: мускариновые (М – рецепторы) и никотиновые рецепторы (Н – рецепторы). На мышцах нашего тела находятся рецепторы никотинового типа к ацетилхолину. Блокатором никотиновых рецепторов является яд кураре, д – тубокурарин, диплацин, флакседил (антагонисты ацетилхолина). Яд кураре использовали индейцы при охоте на животных. В настоящее время широко применяют синтетические аналоги кураре для обездвижеивания больных во время полостных операций в условиях искусственного дыхания. Рецепторы к ацетилхолину в сердечной мышце – мускаринового типа и кураре не останавливает сердце.
Никотиновые рецепторы обнаружены также и в некоторых структурах головного мозга (ретикулярная формация ствола мозга, гипоталамус).
Эффект действия ацетилхолина может быть как активирующим, так и инактивирующеим через возбуждение тормозных интернейронов. Тормозное влияние ацетилхолин оказывает с помощью М – холинорецепторов в глубоких слоях коры большого мозга, стволе мозга, хвостатом ядре.
Нейроны головного мозга, возбуждаемые через мускариновые ацетилхолиновые рецепторы, играют большую роль в проявлении некоторых психических функций. Известно, что гибель таких нейронов приводит к старческому слабоумию (болезнь Альцгеймера).
Биогенные амины включают две группы медиаторов: катехоламины (норадреналин, адреналин, дофамин) и индоламин (серотонин).
Катехоламины являются производными тирозина и выполняют медиаторную функцию в периферических и центральных синапсах. Действие катехоламинов, как регуляторов метаболизма, опосредуется через альфа – и бета – рецепторы и систему вторичных месенджеров.
Норадренергические нейроны сконцентрированы в основном в среднем мозге (в области голубого пятна). 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.
Норадреналин является тормозным медиатором клеток Пуркинье мозжечка, возбуждающим – в гипоталамусе, ядрах эпиталамуса.
Норадренергические нейроны в большом количестве содержатся в периферической нервной системе.
Норадреналин регулирует настроение, эмоциональные реакции, обеспечивает поддержание бодрствования, участвует в механизмах формирования некоторых фаз сна, сновидений
Дофаминергические нейроны находятся преимущественно в среднем мозге, а также в гипоталамичесой области. Хорошо изучена дофаминовая система чернгой субстанции среднего мозга. Эта система содержит 2/3 дофамина головного мозга. Отростки нейронов черной субстанции проецируются в полосатые тела, играющих важную роль в регуляции тонических движений. Перерождение нейронв черной субстанции приводит к болезни Паркинсона.
Дофамин участвует в формировании чувства удовольствия, регуляции эмоциональных реакций, поддержании бодрствования.
В настоящее время выделены два подтипа дофаминовых рецепторов (Д 1 – и Д2- подтипы). Д1 и Д2 рецепторы обнаружен на нейронах полосатого тела. В гипофизе найдены Д2 рецепторы, при действии на них дофамина угнетается синтез и секреция пролактина, окситоцина, меланостимулирующего гормона, эндорфина.
Серотонин (5 – гидрокситриптамин ) наряду с катехоламинами относится к аминергическим медиаторам. Он образуется путем гидроксилирования аминокислоты триптофана с последующим декарбоксилированием. Химическая структура серотонина была расшифрована в 1952 году. 90% серотонина образуется в организме энтерохромаффиновыми клетками слизистой оболочки всего пищеварительного тракта. Большая часть серотонина связывается с кровяными пластинками и по кровеносному руслу разносится по организму. Внутриклеточный серотонин инактивируется моноаминооксидазай (МАО), содержащийся в митохондриях. Часть серотонина действует в качестве местного гормона, способствуя авторегулированию кишечной перистальтике, а также модулируя эпителиальную секрецию и всасывание в кишечном тракте.
Серотонинергические нейроны широко распространены в центральной нервной системе, главным образом, в структурах вегетативных функций. У человека он найден в различных отделах головного мозга (мозговом стволе, варолиевом мосту, ядрах шва). С помощью серотонина в нейронах ствола мозга передаются возбуждающие и тормозящие влияния. Самая высокая концентрация серотонина обнаружена в эпифизе. Здесь серотонин превращается в мелатонин, который участвует в пигментации кожи и влияет на активность женских гонад.
Серотонин реализует свое влияние с помощью ионотропных и метаботропных рецепторов. Имеется несколько типов серотонинорецепторов, локализованных как на пресинаптической, так и постсинаптической мембране. Антагонистом серотонинорецепторов является диэтиламид лизергиновой кислоты (LSD), который является сильным галлюциногеном
Физиологические эффекты серотонина связаны с участием его в процессе обучения, формировании болевых ощущений, регуляции сна. Серотонин играет важную роль в нисходящем контроле активности спинноготмозга и гипоталамическом контроле температуры тела. Нарушения функциисеротонинергических синапсов наблюдаются при шизофрении и других психических расстройствах.
СИНАПС
Как передается возбуждение от одного нейрона другому или от нейрона, например, на мышечное волокно? Этой проблемой интересуются не только профессиональные нейробиологи, но и врачи, особенно фармакологи. Знание биологических механизмов необходимо для лечения некоторых заболеваний, а также для создания новых лекарств и препаратов. Дело в том, что одними из основных мест воздействия этих веществ на организм человека являются места передачи возбуждения с одного нейрона на другой (или на другую клетку, например клетку сердечной мышцы, стенки сосудов и пр.). Отросток нейрона аксон направляется к другому нейрону и образует на нем контакт, который называют синапсом (в переводе с греческого - контакт; см. рис. 2.3). Именно синапс хранит многие тайны мозга. Нарушение этого контакта, например, веществами, блокирующими его работу, приводит к тяжелейшим последствиям для человека. Это место приложения действия наркотиков. Примеры будут приведены ниже, а сейчас рассмотрим, как устроен и как работает синапс.
Трудности этого исследования определяются тем, что сам синапс очень маленький (его диаметр не более 1 мкм). Один нейрон получает такие контакты, как правило, от нескольких тысяч (3 - 10 тыс.) других нейронов. Каждый синапс надежно закрыт специальными клетками глии, поэтому исследовать его очень непросто. На рис. 2.12 показана схема синапса, как это представляет себе современная наука. Несмотря на свою миниатюрность, он устроен весьма сложно. Одним из его основных компонентов являются пузырьки, которые находятся внутри синапса. Эти пузырьки содержат биологически очень активное вещество, которое называется нейротрансмиттером, или медиатором (передатчиком).
Вспомним, что нервный импульс (возбуждение) с огромной скоростью продвигается по волокну и подходит к синапсу. Этот потенциал действия вызывает деполяризацию мембраны синапса (рис. 2.13), однако это не приводит к генерации нового возбуждения (потенциала действия), а вызывает открывание специальных ионных каналов, с которыми мы еще не знакомы. Эти каналы пропускают ионы кальция внутрь синапса. Ионы кальция играют очень большую роль в деятельности организма. Специальная железа внутренней секреции - паращитовидная (она находится поверх щитовидной железы) регулирует содержание кальция в организме. Многие заболевания связаны с нарушением обмена кальция в организме. Например, его недостаток приводит к рахиту у маленьких детей.
Каким образом кальций участвует в работе синапса? Попадая в цитоплазму синаптического окончания, кальций входит в связь с белками, образующими оболочку пузырьков, в которых хранится медиатор. В конечном итоге мембраны синаптических пузырьков сжимаются, выталкивая свое содержимое в синаптическую щель. Этот процесс очень напоминает сокращение мышечного волокна в мышце, во всяком случае, эти два процесса имеют одинаковый механизм на молекулярном уровне. Таким образом, связывание кальция белками оболочки пузырька приводит к ее сокращению, и содержание пузырька впрыскивается (экзоцитоз) в щель, которая отделяет мембрану одного нейрона от мембраны другого. Эта щель называется синоптической щелью. Из описания должно быть ясно, что возбуждение (электрический потенциал действия) нейрона в синапсе превращается из электрического импульса в импульс химический. Другими словами, каждое возбуждение нейрона сопровождается выбросом в окончании его аксона порции биологически активного вещества - медиатора. Далее молекулы медиатора связываются с специальными белковыми молекулами, которые находятся на мембране другого нейрона. Эти молекулы называются рецепторами. Рецепторы устроены уникально и связывают только один тип молекул. В некоторых описаниях указывается, что они подходят, как «ключ к замку» (ключ подходит только к своему замку).
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 (рис. 2.13). Очень важным свойством описанных ионных каналов является то, что количество открытых каналов определяется количеством связанных молекул медиатора, а не потенциалом на мембране, как в случае с электровозбудимой мембраной нервного волокна. Таким образом, постсинаптические потенциалы имеют свойство градуальности: амплитуда потенциала определяется количеством молекул медиатора, связанного рецепторами. Благодаря этой зависимости амплитуда потенциала на мембране нейрона развивается пропорционально количеству открытых каналов.
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.
В качестве примера разберем, как действует в синапсе медиатор, который называется ацетилхолином. Этот медиатор широко распространен в головном мозге и в периферических окончаниях нервных волокон. Например, двигательные импульсы, которые по соответствующим нервам приводят к сокращению мышц нашего тела, оперируют ацетилхолином. Ацетилхолин был открыт в 30-х годах австрийским ученым О. Леви. Эксперимент был очень прост: изолировали сердце лягушки с подходящим к нему блуждающим нервом. Было известно, что электрическая стимуляция блуждающего нерва приводит к замедлению сокращений сердца вплоть до полной его остановки. О. Леви простимулировал блуждающий нерв, получил эффект остановки сердца и взял из сердца немного крови. Оказалось, что если эту кровь добавить в желудочек работающего сердца, то оно замедляет свои сокращения. Был сделан вывод: при стимуляции блуждающего нерва выделяется вещество, останавливающее сердце. Это и был ацетилхолин. Позже был открыт фермент, который расщеплял ацетилхолин на холин (жир) и уксусную кислоту, в результате чего прекращалось действие медиатора. Этим исследованием впервые была установлена точная химическая формула медиатора и последовательность событий в типичном химическом синапсе. Эта последовательность событий сводится к следующему.
Потенциал действия, пришедший по пресинаптическому волокну к синапсу, вызывает деполяризацию, которая включает кальциевый насос, и ионы кальция поступают в синапс; ионы кальция связываются белками мембраны синаптических пузырьков, что приводит к активному опорожнению (экзоцитозу) пузырьков в синаптическую щель. Молекулы медиатора связываются (узнающим центром) соответствующими рецепторами постсинаптической мембраны, при этом открывается ионный канал. Через мембрану начинает протекать ионный ток, что приводит к возникновению на ней постсинаптического потенциала. В зависимости от характера открытых ионных каналов возникает возбудительный (открываются каналы для ионов натрия и калия) или тормозной (открываются каналы для ионов хлора) постсинаптический потенциал.
Ацетилхолин весьма широко распространен в живой природе. Например, он находится в стрекательных капсулах крапивы, в стрекательных клетках кишечнополостных животных (например, пресноводной гидры, медузы) и пр. В нашем организме ацетилхолин выбрасывается в окончаниях двигательных нервов, управляющих мышцами, из окончаний блуждающего нерва, который управляет деятельностью сердца и других внутренних органов. Человек давно знаком с антагонистом ацетилхолина - это яд кураре, которым пользовались индейцы Южной Америки при охоте на животных. Оказалось, что кураре, попадая в кровь, вызывает обездвиживание животного, и оно погибает фактически от удушья, но кураре не останавливает сердце. Исследования показали, что в организме существуют два типа рецепторов к ацетилхолину: один успешно связывает никотиновую кислоту, а другой - мускарин (вещество, которое выделено из гриба рода Muscaris). На мышцах нашего тела находятся рецепторы никотинового типа к ацетилхолину, тогда как на сердечной мышце и нейронах головного мозга - рецепторы к ацетилхолину мускаринового типа.
В настоящее время в медицине широко применяют синтетические аналоги кураре для обездвиживания больных во время сложных операций на внутренних органах. Применение этих средств приводит к полному параличу двигательной мускулатуры (связывается рецепторами никотинового типа), но не влияет на работу внутренних оранов, в том числе сердца (рецепторы мускаринового типа). Нейроны головного мозга, возбуждаемые через мускариновые ацетилхолиновые рецепторы, играют большую роль в проявлении некоторых психических функций. Сейчас известно, что гибель таких нейронов приводит к старческому слабоумию (болезнь Альцгеймера). Другим примером, который должен показать важность именно рецепторов никотинового типа на мышце к ацетилхолину, может служить заболевание, называемое miastenia grevis (мышечная слабость). Это генетически наследуемая болезнь, т. е. ее происхождение связано с «поломками» генетического аппарата, которые передаются по наследству. Заболевание проявляется в возрасте ближе к половозрелости и начинается с мышечной слабости, которая постепенно усиливается и захватывает все более обширные группы мышц. Причиной этого недуга оказалось то, что организм больного вырабатывает белковые молекулы, которые прекрасно связываются ацетилхолиновыми рецепторами никотинового типа. Занимая эти рецепторы, они препятствуют связыванию с ними молекул ацетилхолина, выбрасываемых из синаптических окончаний двигательных нервов. Это и приводит к блокированию синаптического проведения к мышцам и, следовательно, к их параличу.
Описанный на примере ацетилхолина тип синаптической передачи - не единственный в ЦНС. Второй тип синаптической передачи также широко распространен, например, в синапсах, в которых медиаторами являются биогенные амины (дофамин, серотонин, адреналин и др.). В этом типе синапсов имеет место следующая последовательность событий. После того как образовался комплекс «молекула медиатора - рецепторный белок», активируется специальный мембранный белок (G-белок). Одна молекула медиатора при связывании с рецептором может активировать много молекул G-белка, и это усиливает эффект медиатора. Каждая активированная молекула G-белка в одних нейронах может открывать ионный канал, а в других активировать внутри клетки синтез специальных молекул, так называемых вторичных посредников. Вторичные посредники могут запускать в клетке многие биохимические реакции, связанные с синтезом, например, белка, в этом случае возникновения электрического потенциала на мембране нейрона не происходит.
Существуют и другие медиаторы. В головном мозге в качестве медиаторов «работает» целая группа веществ, которые объединены под названием биогенные амины. В середине прошлого столетия английский врач Паркинсон описал болезнь, которая проявлялась как дрожательный паралич. Это тяжелое страдание вызвано разрушением в мозге больного нейронов, которые в своих синапсах (окончаниях) выделяют дофамин - вещество из группы биогенных аминов. Тела этих нейронов находятся в среднем мозге, образуя там скопление, которое называется черной субстанцией. Исследования последних лет показали, что дофамин в мозге млекопитающих также имеет несколько типов рецепторов (в настоящее время известно шесть типов). Другое вещество из группы биогенных аминов - серотонин (другое название 5-окситриптамин) - вначале было известно как средство, приводящее к подъему кровяного давления (сосудосуживающее). Обратите внимание, что, это отражено в его названии. Однако оказалось, что истощение в головном мозге серотонина приводит к хронической бессоннице. В опытах на животных было установлено, что разрушение в мозговом стволе (задних отделах мозга) специальных ядер, которые известны в анатомии как ядра шва, приводит к хронической бессоннице и в дальнейшем гибели этих животных. Биохимическое исследование установило, что нейроны ядер шва содержат серотонин. У пациентов, страдающих хронической бессонницей, также обнаружено снижение концентрации серотонина в мозге.
К биогенным аминам относят также адреналин и норадреналин, которые содержатся в синапсах нейронов автономной нервной вегетативной системы. Во время стресса под влиянием специального гормона - адренокортикотропного (подробнее см. ниже) - из клеток коры надпочечников в кровь также выбрасываются адреналин и норадреналин.
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 (рис. 2.15).
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 tardive dyskinesia (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 (рис. 2.16). 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.
Самая высокая концентрация серотонина обнаружена в эпифизе (pineal gland). Серотонин в эпифизе превращается в мелатонин, который участвует в пигментации кожи, а также влияет у многих животных на активность женских гонад. Содержание как серотонина, так и мелатонина в эпифизе контролируется циклом свет - темнота через нервную симпатическую систему.
Другую группу медиаторов ЦНС составляют аминокислоты. Уже давно известно, что нервная ткань с ее высоким уровнем метаболизма содержит значительные концентрации целого набора аминокислот (перечислены в порядке убывания): глутаминовой кислоты, глутамина, аспарагиновой кислоты, гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК).
Глутамат в нервной ткани образуется преимущественно из глюкозы. У млекопитающих больше всего глутамата содержится в конечном мозге и мозжечке, где его концентрация примерно в 2 раза выше, чем в стволе мозга и спинном мозге. В спинном мозге глутамат распределен неравномерно: в задних рогах он находится в большей концентрации, чем в передних. Глутамат является одним из самых распространенных медиаторов в ЦНС.
Постсинаптические рецепторы к глутамату классифицируются в соответствии с аффинностью (сродством) к трем экзогенным агонистам - квисгулату, каинату и N-метил-D-аспартату (NMDA). Ионные каналы, активируемые квисгулатом и каинатом, подобны каналам, которые управляются никотиновыми рецепторами - они пропускают смесь катионов (Na + и. К +). Стимуляция NMDA-рецепторов имеет сложный характер активации: ионный ток, который переносится не только Na + и К + , но также Са ++ при открывании ионного канала рецептора, зависит от потенциала мембраны. Вольтзависимая природа этого канала определяется разной степенью его блокирования ионами Mg ++ с учетом уровня мембранного потенциала. При потенциале покоя порядка - 75 мВ ионы Mg ++ , которые преимущественно находятся в межклеточной среде, конкурируют с ионами Са ++ и Na + за соответствующие каналы мембраны (рис. 2.17). Вследствие того, что ион Mg ++ не может пройти через пору, канал блокируется всякий раз, как попадает туда ион Mg ++ . Это приводит к уменьшению времени открытого канала и проводимости мембраны. Если мембрану нейрона деполяризовать, то количество ионов Mg ++ , которые закрывают ионный канал, снижается и через канал беспрепятственно могут проходить ионы Са ++ , Na + и. К + . При редких стимуляциях (потенциал покоя изменяется мало) глутаматергического рецептораВПСП возникает преимущественно за счет активации квисгулатных и каинатных рецепторов; вклад NMDA-рецепторов незначителен. При длительной деполяризации мембраны (ритмическая стимуляция) магниевый блок удаляется, и NMDA-каналы начинают проводить ионы Са ++ , Na + и. К + . Ионы Са ++ через вторичные посредники могут потенцировать (усиливать) минПСП, что может привести, например, к длительному увеличению синаптической проводимости, сохраняющейся часами и даже сутками.
Из тормозных медиаторов ГАМК является самой распространенной в ЦНС. Она синтезируется из L-глутаминовой кислоты в одну стадию ферментом декарбоксилазой, наличие которой является лимитирующим фактором этого медиатора. Известно два типа ГАМК-рецепторов на постсинаптической мембране: ГАМКА (открывает каналы для ионов хлора) и ГАМКБ (открывает в зависимости от типа клетки каналы для. К + или Са ++). На рис. 2.18 показана схема ГАМК-рецептора. Интересно, что в его состав входит бензодиазипиновый рецептор, наличием которого объясняют действие так называемых малых (дневных) транквилизаторов (седуксена, тазепама и др.). Прекращение действия медиатора в ГАМК-синапсах происходит по принципу обратного всасывания (молекулы медиатора специальным механизмом поглощаются из синаптической щели в цитоплазму нейрона). Из антагонистов ГАМК хорошо известен бикукулин. Он хорошо проходит через гематоэнцефалический барьер, оказывает сильное воздействие на организм даже в малых дозах, вызывая конвульсии и смерть. ГАМК обнаруживается в ряде нейронов мозжечка (в клетках Пуркинье, клетках Гольджи, корзинчатых клетках), гиппокампа (в корзинчатых клетках), в обонятельной луковице и черной субстанции.
Идентификация ГАМК-цепей мозга трудна, так как ГАМК - обычный участник метаболизма в ряде тканей организма. Метаболическая ГАМК не используется как медиатор, хотя в химическом отношении их молекулы одинаковы. ГАМК определяется по ферменту декарбоксилазы. Метод основан на получении у животных антител к декарбоксилазе (антитела экстрагируют, метят и вводят в мозг, где они связываются с декарбоксилазой).
Другим известным тормозным медиатором является глицин. Глицинергические нейроны находятся главным образом в спинном и продолговатом мозге. Считают, что эти клетки выполняют роль тормозных интернейронов.
Ацетилхолин - один из первых изученных медиаторов. Он чрезвычайно широко распространен в нервной периферической системе. Примером могут служить мотонейроны спинного мозга и нейроны ядер черепных нервов. Как правило, холинергические цепи в мозге определяют по присутствию фермента холинэстеразы. В головном мозге тела холинергических нейронов находятся в ядре перегородки, ядре диагонального пучка (Брока) и базальных ядрах. Нейроанатомы считают, что эти группы нейронов формируют фактически одну популяцию холинергических нейронов: ядро педнего мозга, nucleus basalis (оно расположено в базальной части переднего мозга) (рис. 2.19). Аксоны соответствующих нейронов проецируются к структурам переднего мозга, особенно в новую кору и гиппокамп. Здесь встречаются оба типа ацетилхолиновых рецепторов (мускариновые и никотиновые), хотя считается, что мускариновые рецепторы доминируют в более рострально распоженных мозговых структурах. По данным последних лет складывается впечатление, что ацетилхолиновая система играет большую роль в процессах, связанных с высшими интегративными функциями, которые требуют участия памяти. Например, показано, что в мозге больных, умерших от болезни Альцгеймера, наблюдается массивная утрата холинергических нейронов в nucleus basalis.
Медиатор– См. Посредник. * * * (лат. mediator – посредник) – биологически активное вещество, участвующее в передаче возбуждения с одной нервной клетки на другую посредством синапса (см.) или с нейрона на исполнительный орган (мышцу, железу и др.).
Медиаторы - активные химические вещества, обусловливающие передачу возбуждения в синапсе (см.). Медиаторы в виде маленьких пузырьков (везикул) скапливаются на пресинаптической мембране. Под влиянием нервного импульса везикулы лопаются и их содержимое изливается в синаптическую щель. Действуя на постсинаптическую мембрану, медиаторы вызывают ее деполяризацию (см. Возбуждение). Наиболее изученными и широко распространенными в организме медиаторами являются ацетилхолин (см.) и норадреналин. В соответствии с этим все нервные окончания, передающие возбуждения на различные органы, разделяются на холинергические, где медиаторы синаптической передачи является ацетилхолин, и на адренергические, в которых медиатором служит норадреналин. К холинергическим относятся волокна соматической нервной системы, осуществляющие передачу возбуждения на скелетные мышцы, преганглионарные волокна симпатической и парасимпатической систем, а также постганглионарные парасимпатические волокна. Постганглионарные симпатические волокна являются преимущественно адренергическими. В центральной нервной системе имеются синапсы, использующие в качестве медиатора как ацетилхолин, так и норадреналин, а также серотонин, гамма-аминомасляную кислоту, L-глютамат и некоторые другие аминокислоты.
Синапс - место контакта двух клеточных мембран, обеспечивающее переход возбуждения с нервных окончаний на возбудимые структуры (железы, мышцы, нейроны). В зависимости от структуры синапсы разделяют на нейросекреторные, нейромускулярные, межнейрональные. Синапс состоит из 2 мембран: пресинаптической, являющейся частью нервного окончания, и постсинаптической, принадлежащей возбудимой структуре.
Передача возбуждения в синапсе осуществляется посредством специфических химических веществ - медиаторов (см.). Наиболее распространенными медиаторами являются норадреналин и ацетилхолин. Структура синапса и механизм передачи возбуждения обусловливают его физиологические свойства: 1) одностороннее проведение возбуждения, связанное с выделением медиатора только на пресинаптической мембране; 2) синаптическая задержка передачи возбуждения, связанная с медленным выделением медиатора и его воздействием на постсинаптическую мембрану, она может укорачиваться при многократном прохождении возбуждения (эффект суммации и облегчения); 3) синапс обладает низкой лабильностью и легкой утомляемостью; 4) химический механизм передачи возбуждения в синапсе обусловливает высокую чувствительность синапса к гормонам, лекарствам и ядам.
Вопрос26. Виды и роль центрального нервного торможения.
Торможение - местный нервный процесс, приводящий к угнетению или предупреждению возбуждения. Торможение является активным нервным процессом, результатом которого служит ограничение или задержка возбуждения. Одна из характерных черт тормозного процесса- отсутствие способности к активному распространению по нервным структурам.
В настоящее время в центральной нервной системе выделяют два вида торможения: торможение центральное (первичное), являющееся результатом возбуждения (активации) специальных тормозных нейронов и торможение вторичное, которое осуществляется без участия специальных тормозных структур в тех самых нейронах в которых происходит возбуждение.
Центральное торможение(первичное) - нервный процесс, возникающий в ЦНС и приводящий к ослаблению или предотвращению возбуждения. Согласно современным представлениям центральное торможение связано с действием тормозных нейронов или синапсов, продуцирующих тормозные медиаторы (глицин, гаммааминомасляную кислоту), которые вызывают на постсинаптической мембране особый тип электрических изменений, названных тормозными постсинаптическими потенциалами (ТПСП) или деполяризацию пресинаптического нервного окончания, с которым контактирует другое нервное окончание аксона. Поэтому выделяют центральное (первичное) постсинаптическое торможение и центральное (первичное) пресинаптическое торможение.
Постсинаптическое торможение (лат. post позади, после чего-либо + греч. sinapsis соприкосновение, соединение) - нервный процесс, обусловленный действием на постсинаптическую мембрану специфических тормозных медиаторов (глицин, гаммааминомаслянная кислота), выделяемых специализированными пресинаптическими нервными окончаниями. Медиатор, выделяемый ими, изменяет свойства постсинаптической мембраны, что вызывает подавление способности клетки генерировать возбуждение. При этом происходит кратковременное повышение проницаемости постсинаптической мембраны к ионам К+ или CI-, вызывающее снижение ее входного электрического сопротивления и генерацию тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП). Возникновение ТПСП в ответ на афферентное раздражение обязательно связано с включением в тормозной процесс дополнительного звена - тормозного интернейрона, аксональные окончания которого выделяют тормозной медиатор. Специфика тормозных постсинаптических эффектов впервые была изучена на мотонейронах млекопитающих (Д. Экклс, 1951). В дальнейшем первичные ТПСП были зарегистрированы в промежуточных нейронах спинного и продолговатого мозга, в нейронах ретикулярной формации, коры больших полушарий, мозжечка и таламических ядер теплокровных животных.
Известно, что при возбуждении центра сгибателей одной из конечностей центр ее разгибателей тормозится и наоборот. Д. Экклс выяснил механизм этого явления в следующем опыте. Он раздражал афферентный нерв, вызывающий возбуждение мотонейрона, иннервирующего мышцу - разгибатель.
Нервные импульсы, дойдя до афферентного нейрона в спинномозговом ганглии, направляются по его аксону в спинном мозге по двум путям: к мотонейрону, иннервирующему мышцу - разгибатель, возбуждая ее и по коллатерам к промежуточному тормозному нейрону, аксон которого контактирует с мотонейроном иннервирующим мышцу - сгибатель, вызывая таким образом торможение антагонистической мышцы. Этот вид торможения был обнаружении в промежуточных нейронах всех уровней центральной нервной системы при взаимодействии антагонистических центров. Он был назван поступательным постсинаптическим торможением. Этот вид торможения координирует, распределяет процессы возбуждения и торможения между нервными центрами.
Возвратное (антидромное) постсинаптическое торможение (греч. antidromeo бежать в противоположном направлении) - процесс регуляции нервными клетками интенсивности поступающих к ним сигналов по принципу отрицательной обратной связи. Он заключается в том, что коллатерали аксонов нервной клетки устанавливают синаптические контакты со специальными вставочными нейронами (клетки Реншоу), роль которых заключается в воздействии на нейроны, конвергирующие на клетке, посылающей эти аксонные коллатерали (рис. 87). По такому принципу осуществляется торможение мотонейронов.
Возникновение импульса в мотонейроне млекопитающих не только активирует мышечные волокна, но через коллатерали аксона активирует тормозные клетки Реншоу. Последние устанавливают синаптические связи с мотонейронами. Поэтому усиление импульсации мотонейрона ведет к большей активации клеток Реншоу, вызывающей усиление торможения мотонейронов и уменьшение частоты их импульсации. Термин "антидромное” употребляется потому, что тормозной эффект легко вызывается антидромными импульсами, рефлекторно возникающими в мотонейронах.
Чем сильнее возбужден мотонейрон, чем больше сильные импульсы идут к скелетным мышцам по его аксону, тем интенсивнее возбуждается клетка Реншоу, которая подавляет активность мотонейрона. Следовательно, в нервной системе существует механизм, оберегающий нейроны от чрезмерного возбуждения. Характерная особенность постсинаптического торможения заключается в том, что оно подавляется стрихнином и столбнячным токсином (на процессы возбуждения эти фармакологические вещества не действуют).
В результате подавления постсинаптического торможения нарушается регуляция возбуждения в цнс, возбуждение разливается ("диффундирует”) по всей цнс, вызывая перевозбуждение мотонейронов и судорожные сокращения групп мышц (судороги).
Торможение ретикулярное (лат. reticularis - сетчатый) - нервный процесс развивающийся в спинальных нейронах под влиянием нисходящей импульсации из ретикулярной формации (гигантское ретикулярное ядро продолговатого мозга). Эффекты, создаваемые ретикулярными влияниями, по функциональному действию сходны с возвратным торможением, развивающимся на мотонейронах. Влияние ретикулярной формации вызывают стойкие ТПСП, охватывающие все мотонейроны независимо от их функциональной принадлежности. В этом случае, так же как и при возвратном торможении мотонейронов происходит ограничение их активности. Между таким нисходящим контролем со стороны ретикулярной формации и системочй возвратного торможения через клетки Реншоу существует определенное взаимодействие, и клетки Реншоу находятся под постоянным тормозящем контролем со стороны двух структур. Тормозящее влияние со стороны ретикулярной формации являются дополнительным фактором в регуляции уровня активности мотонейронов.
Первичное торможение может вызываться механизмами иной природы, не связанными с изменениями свойств постсинаптической мембраны. Торможение в этом случае возникает на пресинаптической мембране (синаптическое и пресинаптическое торможение).
Синаптическое торможение (греч. sunapsis соприкосновение, соединение) - нервный процесс, основанный на взаимодействии медиатора, секретируемого и выделяемого пресинаптическими нервными окончаниями, со специфическими молекулами постсинаптической мембраны. Возбуждающий или тормозной характер действия медиатора зависит от природы каналов, которые открываются в постсинаптической мембране. Прямое доказательство наличия в цнс специфических тормозящих синапсов было впервые получено Д. Ллойдом (1941).
Данные относительно электрофизиологических проявлений синаптического торможения: наличие синаптической задержки, отсутствие электрического поля в области синаптических окончаний дали основание считать его следствием химического действия особого тормозящего медиатора, выделяемого синаптическими окончаниями. Д. Ллойд показал, что если клетка находится в состоянии деполяризации, то тормозной медиатор вызывает гиперполяризацию, в то время как на фоне гиперполяризации постсинаптической мембраны он вызывает ее деполяризацию.
Пресинаптическое торможение (лат. praе -впереди чего-либо + греч. sunapsis соприкосновение, соединение) - частный случай синаптических тормозных процессов, проявляющихся в подавлении активности нейрона в результате уменьшения эффективности действия возбуждающих синапсов еще на пресинаптическом звене путем угнетения процесса высвобождения медиатора возбуждающими нервными окончаниями. В этом случае свойства постсинаптической мембраны не подвергаются каким-либо изменениям. Пресинаптическое торможение осуществляется посредством специальных тормозных интернейронов. Его структурной основой являются аксо-аксональные синапсы, образованные терминалиями аксонов тормозных интернейронов и аксональными окончаниями возбуждающих нейронов.
При этом окончание аксона тормозного нейрона является пресимпатическим по отношению к терминали возбуждающего нейрона, которая оказывается постсинаптической по отношению к тормозному окончанию и пресинаптической по отношению к активируемой им нервной клетки. В окончаниях пресинаптического тормозного аксона освобождается медиатор, который вызывает деполяризацию возбуждающих окончаний за счет увеличения проницаемости их мембраны для CI-. Деполяризация вызывает уменьшение амплитуды потенциала действия, приходящего в возбуждающее окончание аксона. В результате происходит угнетение процесса высвобождения медиатора возбуждающими нервными окончаниями и снижение амплитуды возбуждающего постсинаптического потенциала.
Характерной особенностью пресинаптической деполяризации является замедленное развитие и большая длительность (несколько сотен миллисекунд), даже после одиночного афферентного импульса.
Пресинаптическое торможение существенно отличается от постсинаптического и в фармакологическом отношении. Стрихнин и столбнячный токсин не влияют на его течение. Однако наркотизирующие вещества (хлоралоза, нембутал) значительно усиливают и удлиняют пресинаптическое торможение. Этот вид торможения обнаружен в различных отделах цнс. Наиболее часто оно выявляется в структурах мозгового ствола и спинного мозга. В первых исследованиях механизмов пресинаптического торможения считалось, что тормозное действие осуществляется в точке, отдаленной от сомы нейрона, поэтому его называли "отдаленным” торможением.
Функциональное значение пресинаптического торможения, охватывающего пресинаптические терминали, по которым поступают афферентные импульсы, заключается в ограничении поступления к нервным центрам афферентной импульсации. Пресинаптическое торможение в первую очередь блокирует слабые асинхронные афферентные сигналы и пропускает более сильные, следовательно, оно служит механизмом выделения, вычленения более интенсивных афферентных импульсов из общего потока. Это имеет огромное приспособительное значение для организма, так как из всех афферентных сигналов, идущих к нервным центрам, выделяются самые главные, самые необходимые для данного конкретного времени. Благодаря этому нервные центры, нервная система в целом освобождается от переработки менее существенной информации.
Вторичное торможение - торможение осуществляющееся теми же нервными структурами, в которых происходит возбуждение. Этот нервный процесс подробно изложен в работах Н.Е. Введенского (1886, 1901г.г.).
Торможение реципрокное (лат. reciprocus - взаимный) - нервный процесс, основанный на том, что одни и те же афферентные пути, через которые осуществляется возбуждение одной группы нервных клеток, обеспечивают через посредство вставочных нейронов торможение других групп клеток. Реципрокные отношения возбуждения и торможения в цнс были открыты и продемонстрированы Н.Е. Введенским: раздражение кожи на задней лапке у лягушки вызывает ее сгибание и торможение сгибания или разгибания на противоположной стороне. Взаимодействие возбуждения и торможения является общим свойством всей нервной системы и обнаруживается как в головном, так и в спинном мозге. Экспериментально доказано, что нормальное выполнение каждого естественного двигательного акта основано на взаимодействии возбуждения и торможения на одних и тех же нейронах цнс.
Общее центральное торможение - нервный процесс, развивающийся при любой рефлекторной деятельности и захватывавающий почти всю цнс, включая центры головного мозга. Общее центральное торможение обычно проявляется раньше возникновения какой-либо двигательной реакции. Оно может проявляться при такой малой силе раздражения при которой двигательный эффект отсутствует. Такого вида торможение было впервые описано И.С. Беритовым (1937). Оно обеспечивает концентрацию возбуждения других рефлекторных или поведенческих актов, которые могли бы возникнуть под влиянием раздражений. Важная роль в создании общего центрального торможения принадлежит желатинозной субстанции спинного мозга.
При электрическом раздражении желатинозной субстанции у спинального препарата кошки происходит общее торможение рефлекторных реакций, вызываемых раздражением сенсорных нервов. Общее торможение является важным фактором в создании целостной поведенческой деятельности животных, а также в обеспечении избирательного возбуждения определенных рабочих органов.
Парабиотическое торможение развивается при патологических состояниях, когда лабильность структур центральной нервной системы снижается или происходит очень массивное одновременное возбуждение большого числа афферентных путей, как, например, при травматическом шоке.
Некоторые исследователи выделяют еще один вид торможения - торможение вслед за возбуждением. Оно развивается в нейронах после окончания возбуждения в результате сильной следовой гиперполяризации мембраны (постсинаптической).
Торможение - особый нервный процесс, который обусловливается возбуждением и внешне проявляется угнетением другого возбуждения. Оно способно активно распространяться нервной клеткой и ее отростками. Основал учение о центральноv торможение И. М. Сеченов (1863), который заметил, что изгибающий рефлекс лягушки тормозится при химическом раздражении среднего мозга. Торможение играет важную роль в деятельности ЦНС, а именно: в координации рефлексов; в поведении человека и животных; в регуляции деятельности внутренних органов и систем; в осуществлении защитной функции нервных клеток.
Типы торможения в ЦНС
Центральное торможение распределяется по локализации на пре-и постсинаптическое;
по характеру поляризации (зарядом мембраны) - на гипер-и деполяризации;
по строению тормозных нейронных цепей - на реципрокное, или соединенное, обратное и латеральное.
Пресинаптическое торможение, как свидетельствует название, локализуется в пресинаптических элементах и связано с угнетением проведения нервных импульсов в аксональных (пресинаптических) окончаниях. Гистологическим субстратом такого торможения является аксональные синапсы. К возбуждающему аксону подходит вставной тормозной аксон, который выделяет тормозной медиатор ГАМК. Этот медиатор действует на постсинаптическую мембрану, которая является мембраной возбуждающего аксона, и вызывает в ней деполяризацию. Возникшая деполяризация тормозит вход Са2 + из синаптической щели в заключение возбуждающего аксона и таким образом приводит к снижению выброса возбуждающего медиатора в синаптическую щель, торможение реакции. Пресинаптическое торможение достигает максимума через 15-20 мс и длится около 150 мс, то есть гораздо дольше, чем постсинаптическое торможение. Пресинаптическое торможение блокируется судорожными ядами - бикулином и пикротоксин, которые являются конкурентными антагонистами ГАМК.
Постсинаптическое торможение (ГПСП) обусловлено выделением пресинаптическим окончанием аксона тормозного медиатора, который снижает или тормозит возбудимость мембран сомы и дендритов нервной клетки, с которой он контактирует. Оно связано с существованием тормозных нейронов, аксоны которых образуют на соме и дендритах клеток нервных окончаний, выделяя тормозные медиаторы - ГАМК и глицин. Под влиянием этих медиаторов возникает торможение возбуждающих нейронов. Примерами тормозных нейронов являются клетки Реншоу в спинном мозге, нейроны грушевидные (клетки Пуркинье мозжечка), звездчатые клетки коры большого, мозга и др..
Исследованием П. Г. Костюка (1977) доказано, что постсинаптического торможения связано с первичной гиперполяризацией мембраны сомы нейрона, в основе которой лежит повышение проницаемости постсинаптической мембраны для К +. Вследствие гиперполяризации уровень мембранного потенциала удаляется от критического (порогового) уровня. То есть происходит его увеличение - гиперполяризация. Это приводит к торможению нейрона. Такой вид торможения называется гиперполяризационным.
Амплитуда и полярность ГПСП зависят от исходного уровня мембранного потенциала самого нейрона. Механизм этого явления связан с Сl+. С началом развития ТПСП Сl- входит в клетку. Когда в клетке становится его больше, чем снаружи, глицин конформирует мембрану и через открытые ее отверстия Сl+ выходит из клетки. В ней уменьшается количество отрицательных зарядов, развивается деполяризация. Такой вид торможения называется деполяризационным.
Постсинаптическое торможение локальное. Развивается оно градуально, способное к суммации, не оставляет после себя рефрактерности. Является более оперативным, четко адресованным и универсальным тормозным механизмом. По своей сути это «центральное торможение», которое было описано в свое время Ch. S. Sherrington (1906).
В зависимости от структуры тормозного нейронного цепочки, различают следующие формы постсинаптического торможения: реципрокное, обратное и латеральное, которое является собственно разновидностью обратного.
Реципрокное (сочетанное) торможение характеризуется тем, что в том случае, когда при активизации афферентов возбуждаются, например, мотонейроны мышц-сгибателей, то одновременно (на этой стороне) тормозятся мотонейроны мышц-разгибателей, действующие на этот же сустав. Происходит это потому, что афференты от мышечных веретен образуют возбуждающие синапсы на мотонейронах мышц-агонистов, а через посредство вставного тормозного нейрона - тормозные синапсы на мотонейронах мышц-антагонистов. С физиологической точки зрения такое торможение очень выгодно, поскольку облегчает движение сустава «автоматически», без дополнительного произвольного или непроизвольного контроля.
Обратное торможение. В этом случае от аксонов мотонейрона отходит одна или несколько коллатералей, которые направляются в вставных тормозных нейронов, например, клеток Реншоу. В свою очередь, клетки Реншоу образуют тормозные синапсы на мотонейроны. В случае возбуждения мотонейрона активизируются и клетки Реншоу, вследствие чего происходит гиперполяризация мембраны мотонейрона и тормозится его деятельность. Чем больше возбуждается мотонейрон, тем больше ощутимые тормозные влияния через клетки Реншоу. Таким образом, обратное постсинаптическое торможение функционирует по принципу отрицательной обратной связи. Есть предположение, что этот вид торможения требуется для саморегуляции возбуждения нейронов, а также для предотвращения их перевозбуждению и судорожным реакциям.
Латеральное торможение. Тормозная цепь нейронов характеризуется тем, что вставные тормозные нейроны влияют не только на воспаленную клетку, но и на соседние нейроны, в которых возбуждение является слабым или вовсе отсутствует. Такое торможение называется латеральным, поскольку участок торможения, который образуется, содержится сбоку (латерально) от возбужденного нейрона. Оно играет особенно важную роль в сенсорных системах, создавая явление контраста.
Постсинаптическое торможения преимущественно легко снимается при введении стрихнина, который конкурирует с тормозным медиатором (глицином) на постсинаптической мембране. Столбнячный токсин также подавляет постсинаптическое торможение, нарушая высвобождение медиатора из тормозных пресинаптических окончаний. Поэтому введение стрихнина или столбнячного токсина сопровождается судорогами, которые возникают вследствии резкого усиления процесса возбуждения в ЦНС, в частности, мотонейронов.
В связи с раскрытием ионных механизмов постсинаптического торможения появилась возможность и для объяснения механизма действия Вr. Натриq бромид в оптимальных дозах широко применяется в клинической практике как седативное (успокоительное) средство. Доказано, что такой эффект натрия бромида связан с усилением постсинаптического торможения в ЦНС. -
Роль различных видов центрального торможения
Главная роль центрального торможения заключается в том, чтобы во взаимодействии с центральным возбуждением обеспечивать возможность анализа и синтеза в ЦНС нервных сигналов, а следовательно, возможность согласования всех функций организма между собой и с окружающей средой. Эту роль центрального торможения называют координационной. Некоторые виды центрального торможения выполняют не только координационную, а и защитную (охранную) роль. Предполагают, что основная координационная роль пресинаптического торможения заключается в угнетении в ЦНС малосущественными афферентными сигналами. За счет прямого постсинаптического торможения согласуется деятельность антагонистических центров. Обратное торможение, ограничивая максимально возможную частоту разрядов мотонейронов спинного мозга, выполняет и координационную роль (согласовывает максимальную частоту разрядов мотонейронов со скоростью сокращения мышечных волокон, которые они иннервируют) и защитную (предотвращает возбуждению мотонейронов). У млекопитающих этот вид торможения распространен в основном в спинномозговых афферентных системах. В высших отделах мозга, а именно в корковом веществе большого мозга, доминирует постсинаптическое торможение.
Какое функциональное значение пресинаптического торможения? За его счет осуществляется воздействие не только на собственный рефлекторный аппарат спинного мозга, но и на синаптические переключения ряда восходящих по головному мозгу трактов. Известно также о нисходящем пресинаптическом торможении первичных афферентных волокон группы Аа и кожных афферентов. В этом случае пресинаптическое торможение является, очевидно, первым «ярусом» активного ограничения информации, поступающей извне. В ЦНС, особенно в спинном мозге, пресинаптическое торможение часто выступает в роли своеобразной отрицательной обратной связи, которая ограничивает афферентную импульсацию при сильных (например, патологических) раздражениях и таким образом отчасти выполняет защитную функцию по отношению спинномозговых и выше расположенных центров.
Функциональные свойства синапсов не являются постоянными. В некоторых условиях эффективность их деятельности может расти или уменьшаться. Обычно при высоких частотах раздражения (несколько сот за 1 с) в течение нескольких секунд или даже минут облегчается синаптическая передача. Это явление получило название синаптической потенциации. Такая синаптическая потенциация может наблюдаться и по окончании тетанической стимуляции. Тогда она будет называться посттетанической потенциацией (ПТП). В основе ПТП (долговременного увеличения эффективности связи между нейронами), вполне вероятно, лежат изменения функциональных возможностей пресинаптического волокна, а именно его гиперполяризация. В свою очередь, это сопровождается повышением выхода медиатора в синаптическую щель и появлением увеличенного ВПСП в постсинаптической структуре. Есть данные и о структурных изменениях при ПТП (набухание и рост пресинаптических окончаний, сужение синаптической щели т.д.).
ПТП гораздо лучше выражена в высших отделах ЦНС (например, в гиппокампе, пирамидных нейронах коры большого мозга) по сравнению с спинномозговыми нейронами. Наряду с ПТП в синаптическом аппарате может возникать постактивационная депрессия, выражающаяся уменьшением амплитуды ВПСП. Эту депрессию многие исследователи связывают с ослаблением чувствительности к действию медиатора (десенсибилизации) постсинаптической мембраны или различным соотношением затрат и мобилизации медиатора.
С пластичностью синаптических процессов, в частности с ПТП, возможно, связаны формирования новых межнейронных связей в ЦНС и их закрепление, т.е. механизмы обучения и памяти. Вместе с тем следует признать, что пластические свойства центральных синапсов изучены пока недостаточно.
