Text
                    Дубынин, Вячеслав Альбертович
Регуляторные системы организма человека: Учебное пособие для студентов
вузов обучающихся по направлению подготовки 510600 Биология и
биологич/ Владислав Иванович Сивоглазов, Василий Васильевич
Каменский, Михаил Романович Сапин. - М.: Дрофа, 2003.- 368 с. : ил.
ISBN 5—7107—6073 —0, 7000 экз.
В пособии на современном уровне, но в доступной для читателя форме
изложены основы знаний по анатомии нервной системы, нейрофизиологии и
нейрохимии (с элементами психофармакологии), физиологии высшей
нервной деятельности и нейроэндокринологии. Для студентов вузов,
обучающихся по направлению подготовки 510600 Биология,
биологическим, а также медицинским, психологическим и другим
специальностям
Анатомия и гистология человека
ББК28.706я73
УДК 612.015


Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ - 5c. ВВЕДЕНИЕ - 6-8c. 1 ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ - 9-39c. 1.1 Клеточная теория - 9c. 1.2 Химическая организация клетки -10-16c. 1.3 Строение клетки - 17-26c. 1.4 Синтез белков в клетке - 26-31c. 1.5 Ткани: строение и функции - 31-39c. 2 СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ - 40-96c. 2.1 Рефлекторный принцип работы мозга - 40-42c. 2.2 Эмбриональное развитие нервной системы - 42-43c. 2.3 Общее представление о строении нервной системы - 43-44c. 2.4 Оболочки и полости центральной нервной системы - 44-46c. 2.5 Спинной мозг - 47-52c. 2.6 Общее строение головного мозга - 52-55c. 2.7 Продолговатый мозг - 56-57c. 2.8 Мост - 57-60c. 2.9 Мозжечок - 60-62c. 2.10 Средний мозг - 62-64c. 2.11 Промежуточный мозг - 64-68c. 2.12 Конечный мозг - 68-74c. 2.13 Проводящие пути головного и спинного мозга - 74-80c. 2.14 Локализация функций в коре полушарий большого мозга - 80-83c. 2.15 Черепные нервы - 83-88c. 2.16 Спинномозговые нервы - 88-93c.
2.17 Автономная (вегетативная) нервная система - 93-96c. 3 ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ - 97-183c. 3.1 Синаптические контакты нервных клеток - 97-101 c. 3.2 Потенциал покоя нервной клетки - 102-107c. 3.3 Потенциал действия нервной клетки -108-115c. 3.4 Постсинаптические потенциалы. Распространение потенциала действия по нейрону - 115-121c. 3.5 Жизненный цикл медиаторов нервной системы -121-130c. 3.6 Ацетилхолин - 131-138c. 3.7 Норадреналин - 138-144c. 3.8 Дофамин- 144-153c. 3.9 Серотонин - 153-160c. 3.10 Глутаминовая кислота (глутамат) -160-167c. 3.11 Гамма-аминомасляная кислота-167-174c. 3.12 Другие медиаторы-непептиды: гистамин, аспарагиновая кислота, глицин, пурины - 174-177c. 3.13 Медиаторы-пептиды - 177-183c. 4 ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ - 184-313c. 4.1 Общие представления о принципах организации поведения. Компьютерная аналогия работы центральной нервной системы - 184-191c. 4.2 Возникновение учения о высшей нервной деятельности. Основные понятия физиологии высшей нервной деятельности -191-200c. 4.3 Разнообразие безусловных рефлексов - 201-212c. 4.4 Разнообразие условных рефлексов - 213-223c. 4.5 Неассоциативное обучение. Механизмы кратковременной и долговременной памяти - 223-241c. 4.6 Безусловное и условное торможение - 241-251c. 4.7 Система сна и бодрствования - 251-259c. 4.8 Типы высшей нервной деятельности (темпераменты) - 259-268c.
4.9 Сложные типы ассоциативного обучения животных - 268-279c. 4.10 Особенности высшей нервной деятельности человека. Вторая сигнальная система - 279-290c. 4.11 Онтогенез высшей нервной деятельности человека - 290-296c. 4.12 Система потребностей, мотиваций, эмоций - 296-313c. 5 ЭНДОКРИННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 314-365c. 5.1 Общая характеристика эндокринной системы - 314-325c. 5.2 Гипоталамо-гипофизарная система - 325-337c. 5.3 Щитовидная железа - 337-341c. 5.4 Паращитовидные железы - 341-342c. 5.5 Надпочечники - 342-347c. 5.6 Поджелудочная железа - 347-350c. 5.7 Эндокринология размножения - 350-359c. 5.8 Эпифиз, или шишковидная железа - 359-361c. 5.9 Тимус - 361-362c. 5.10 Простагландины - 362-363c. 5.11 Регуляторные пептиды - 363-365c. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ - 366-367c.
ПРЕДИСЛОВИЕ Для последних лет характерно значительное повышение интереса к психологии и смежным с ней наукам. Результатом этого является организация большого числа вузов и факульте- факультетов, осуществляющих подготовку профессиональных психо- психологов, в том числе в таких специфических областях, как пси- психотерапия, педагогическая психология, клиническая психо- психология и др. Все это создает предпосылки для разработки учебников и учебных пособий нового поколения, учитываю- учитывающих современные научные достижения и концепции. В предлагаемом учебном пособии рассматриваются естест- естественнонаучные (прежде всего анатомические и физиологиче- физиологические) факты, актуальные для психологических дисциплин. Оно представляет собой целостный курс, в котором данные о высших функциях мозга излагаются на базе нейроморфоло- гических, нейроцитологических, биохимических и молеку- лярно-биологических представлений. Большое внимание уде- уделяется информации о механизмах действия психотропных препаратов, а также о происхождении основных нарушений деятельности нервной системы. Авторы надеются, что данное пособие поможет студентам получить надежные базовые знания по целому ряду учебных курсов, посвященных анатомии и физиологии нервной систе- системы, физиологии высшей нервной деятельности (поведения), физиологии эндокринной системы.
ВВЕДЕНИЕ Почему человек всегда пытался узнать, как работают сис- системы, управляющие его организмом? Видимо, потому, что по- понимание принципов функционирования и взаимодействия нервной и эндокринной систем — самых сложных из всех из- известных биологических объектов — представляет несомнен- несомненный интерес. Кроме того, все психические явления выступают производными физических и химических процессов, происхо- происходящих в человеческом теле и прежде всего в нервной и эндо- эндокринной системах. Раскрыв их суть, можно более осознанно относиться к использованию ресурсов мозга, лечить болезни, корректировать психические функции и т. п. Подавляющее большинство современных психологов (не говоря уже о биологах и медиках) исходят из того, что цент- центральная нервная система (ЦНС) в той или иной степени явля- является материальным субстратом психической деятельности. К сожалению, сегодня нейронауки еще далеки от видения полной картины не только принципов, но и частных проявле- проявлений работы ЦНС. Недаром один из величайших биологов XX столетия Нобелевский лауреат Ф. Крик пишет, что такие функции мозга человека, как восприятие, сознание, вообра- воображение, эмоции, «недоступны пониманию на современном уровне нащих знаний. Для того чтобы постичь эти высшие уровни нервной деятельности, очевидно, хорошо было бы как можно больше узнать о более низких уровнях, особенно до- доступных прямому эксперименту. Необходимо рассмотреть те- теории, которые касаются переработки информации в больших и сложных системах, будь то информация, поступающая от органов чувств, или инструкции, посылаемые мышцам и же- железам, или же поток сигналов, заключающийся в обширной нервной и эндокринной активности между этими двумя край- крайними членами». Авторы этой книги не ставят целью решение вопроса об от- отношении психического к физическому. Они лишь исходят из того очевидного факта, что современный психолог, особенно работающий в прикладных сферах, должен владеть базовыми знаниями в таких областях, как анатомия мозга, нейрофизио-
ВВЕДЕНИЕ логия, нейрохимия, физиология поведения, нейроэндокрино- логия. В настоящее время интерес к психологии как профессии чрезвычайно высок. Кроме различных форм подготовки спе- специалистов-психологов, все более развивается система поству- поствузовского обучения, позволяющая осваивать различные облас- области психологии (например, психотерапию) теми, кто уже имеет высшее образование. Студентам читаются курсы анатомии и физиологии нервной системы, физиологии высшей нервной деятельности, физиологии сенсорных систем, иногда — общей биологии и др. Однако специализированных пособий, в кото- которых учитывалась бы специфика преподавания перечисленных дисциплин будущим психологам, явно недостаточно. В предлагаемом пособии авторы попытались изложить сов- современные представления о принципах устройства и функци- функционирования двух основных интегрирующих и регулирующих систем организма — нервной и эндокринной. Значительное внимание уделено как отдельным молекулярным регулято- регуляторам, так и деятельности клеток и клеточных структур, а так- также системному уровню, обеспечивающему регуляцию внут- внутренних органов, обучение, изменение эмоционального состоя- состояния и т. д. Задача авторов несколько осложнялась тем, что в учебных заведениях психологического профиля не преподают химию и физику. Поэтому сведения, относящиеся к этим разделам зна- знаний, представлены в доступной форме и лишь тогда, когда они необходимы для понимания основ функционирования нервной и эндокринной систем. Химические формулы медиа- медиаторов, гормонов и т. п. будут понятны читателям, обладаю- обладающим соответствующей подготовкой. Те же, для кого восприя- восприятие формул затруднительно, вполне могут овладеть материа- материалом, пользуясь лишь текстом учебника. Авторы старались привести как можно больше примеров, позволяющих нагляд- наглядно представить, в каких областях могут быть использованы специалистом-психологом излагаемые сведения. Книга состоит из пяти глав. В первой главе, посвященной строению клетки — функци- функциональной единицы любого живого организма, изложены осно- основы клеточной теории, данные о химическом составе клеток и важнейших протекающих в них процессах, характеристики основных тканей человеческого организма, в том числе нерв- нервной.
8 ВВЕДЕНИЕ Во второй главе дано описание анатомического строения различных составляющих нервной системы: головного и спинного мозга, периферических нервов, вегетативной нерв- нервной системы; приведена функциональная характеристика описываемых структур (ядер, трактов и др.). В третьей главе изложены электрофизиологические и хи- химические основы работы нервных клеток, способы передачи информации от нейрона к нейрону и от нейронов к исполни- исполнительным органам; перечислены основные группы психотроп- психотропных препаратов, употребляемых в клинике; указаны меха- механизмы действия ряда наркотиков. В четвертой главе рассмотрены принципы, особенности и типология высшей нервной деятельности (ВНД), разнообразие рефлекторных поведенческих проявлений, механизмы обуче- обучения и памяти, системы условного торможения, сна и бодрст- бодрствования, системы потребностей, мотиваций и эмоций. В пятой главе, посвященной современным представлениям о деятельности эндокринной системы, ее взаимосвязях с нерв- нервной системой и участии гормонов в обеспечении психической деятельности, особое внимание уделено роли эндокринной системы в развитии ряда видов психопатологии. Пособие может быть использовано при изучении курсов анатомии и физиологии нервной системы, физиологии ВНД, а также родственных учебных дисциплин (например, общей биологии, зоопсихологии, психофизиологии), которые чита- читаются будущим психологам и студентам некоторых других спе- специальностей (педагоги, биологи, медики и т. п.).
1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ 1.1. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ Все живые организмы на Земле, за небольшим исключе- исключением, состоят из клеток. Впервые клетки были описаны в 1665 г. Р. Гуком, увидевшим их в коре пробкового дерева. Но только к 1839 г. усилиями многих ученых была создана клеточная теория, имеющая в своей основе следующие поло- положения. 1. Все живые существа, от одноклеточных до крупнейших растительных и животных организмов, состоят из клеток. 2. Все клетки сходны по строению, химическому составу, жизненным функциям. 3. Несмотря на то что в многоклеточных организмах от- отдельные клетки специализируются на выполнении какой- то определенной функции, они способны и к самостоятельной жизнедеятельности, т. е. могут питаться, расти, размно- размножаться. 4. Каждая клетка возникает из клетки. Таким образом, клетка — элементарная единица живо- живого, лежащая в основе строения, развития и размножения всех живых организмов. Так как многоклеточные организ- организмы представляют собой сложные клеточные структуры, об- образующие целостные системы, то без понимания основ стро- строения и регуляции процессов жизнедеятельности в одной клетке невозможно понять принципов регуляции всего орга- организма.
10 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ 1.2. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ Организм человека включает множество химических эле- элементов: обнаружено присутствие 86 элементов из таблицы Д. И. Менделеева. Однако 98% массы нашего организма обра- образовано всего четырьмя элементами: кислородом (около 70%), углеродом A5—18%), водородом (около 10%) и азотом (около 2%). Все остальные элементы подразделяются на макроэле- макроэлементы (около 2% массы) и микроэлементы (около 0,1% мас- массы). К макроэлементам относят фосфор, калий, натрий, желе- железо, магний, кальций, хлор и серу, а к микроэлементам — цинк, медь, иод, фтор, марганец и другие элементы. Несмотря на очень малые количества, микроэлементы необходимы как каждой клетке, так и всему организму в целом. В клетках атомы и группы атомов различных элементов способны терять или приобретать электроны. Так как элект- электрон имеет отрицательный заряд, то потеря электрона приво- приводит к тому, что атом или группа атомов становятся положи- положительно заряженными, а приобретение электрона делает атом или группу атомов отрицательно заряженными. Такие элект- электрически заряженные атомы и группы атомов называются ионами. Противоположно заряженные ионы притягивают друг друга. Связь, обусловленная таким притяжением, назы- называется ионной. Ионные соединения состоят из отрицательных и положительных ионов, противоположные заряды которых равны по величине, и поэтому в целом молекула электронейт- электронейтральна. Примером ионного соединения может служить пова- поваренная соль, или хлорид натрия NaCl. Это вещество образуют ионы натрия Naf с зарядом +1 и хлорид-ионы СГ с зарядом -1. В состав клетки входят неорганические и органические ве- вещества. Среди неорганических преобладает вода, содержание которой колеблется от 90% в организме эмбриона до 65% в организме пожилого человека. Вода — универсальный раство- растворитель, и почти все реакции в нашем организме проходят в водных растворах. Внутреннее пространство клеток и органо- органоидов клеток представляет собой водный раствор различных веществ. Растворимые в воде вещества (соли, кислоты, белки, углеводы, спирты и др.) называют гидрофильными, а нераст- нерастворимые (например, жиры) — гидрофобными. Важнейшими органическими веществами, входящими в состав клеток, являются белки. Содержание белков в различ- различных клетках колеблется от 10 до 20%. Белковые молекулы очень велики и представляют собой длинные цепочки (поли-
1.2. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ 11 меры), собранные из повторяющихся единиц (мономеров). Мономерами белков являются аминокислоты. Длина, а сле- следовательно, и масса белковой молекулы могут сильно варьи- варьировать: от двух аминокислот до многих тысяч. Короткие бел- белковые молекулы принято называть пептидами. В состав бел- белков входит около 20 видов аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Последовательность аминокис- аминокислот в молекуле каждого белка строго определена и называется первичной структурой белка. Эта цепочка аминокислот свер- свертывается в спираль, называемую вторичной структурой бел- белка. У каждого белка эта спираль по-своему располагается в пространстве, скручиваясь в более или менее сложную тре- третичную структуру, или глобулу, определяющую биологиче- биологическую активность молекулы белка. Молекулы некоторых бел- белков образованы несколькими удерживающимися вместе гло- глобулами. Принято говорить, что такие белки имеют, кроме того, и четвертичную структуру. Белки выполняют целый ряд важнейших функций, без ко- которых невозможно существование ни отдельно взятой клетки, ни целого организма. Структурно-строительная функция ос- основана на том, что белки — важнейшие составляющие части всех мембран: в большинстве клеток есть цитоскелет, образо- образованный определенными видами белков. В качестве примеров белков, выполняющих структурно-строительную функцию, можно привести коллаген и эластин, которые обеспечивают упругость и прочность кожи и являются основой связок, со- соединяющих мышцы с суставами и суставы между собой. Каталитическая функция белков заключается в том, что особые виды белков — ферменты — способны ускорять тече- течение химических реакций, причем иногда во много миллионов раз. Все движения клеток осуществляются с помощью специ- специальных белков (актин, миозин и др.). Таким образом, белки выполняют двигательную функцию. Другая функция белков, транспортная, проявляется в том, что они способны перено- переносить кислород (гемоглобин) и целый ряд других веществ: же- железо, медь, витамины. Основой иммунитета также являются особые белки — антитела, способные связывать бактерии и другие чужеродные агенты, делая их безопасными для орга- организма. Эта функция белков получила название защитной. Многие гормоны и другие вещества, регулирующие функции клеток и всего организма, являются короткими белками, или пептидами. Таким образом, белки выполняют регуляторные функции. (Подробно о регуляторных белках и пептидах см.
1L2 i. основы клеточного строения живых организмов в разделе, посвященном эндокринной системе.) При окисле- окислении белков выделяется энергия, которую организм может ис- использовать. Однако белки слишком важны для организма, да и энергетическая ценность белков ниже, чем у жиров, поэто- поэтому обычно белки расходуются на энергетические нужды толь- только в крайнем случае, при истощении запасов углеводов и жи- жиров. Другой класс химических веществ, необходимый для жиз- жизни, — углеводы, или сахара. Углеводы подразделяются на мо- моносахариды и полисахариды, построенные из моносахаридов. Среди моносахаридов важнейшими являются глюкоза, фрук- фруктоза, рибоза. Из полисахаридов в животных клетках чаще всего встречается гликоген, а в растительных — крахмал и целлюлоза. Углеводы выполняют две важнейшие функции: энергети- энергетическую и структурно-строительную. Так, для клеток нашего мозга глюкоза является практически единственным источни- источником энергии, и уменьшение ее содержания в крови опасно для жизни. В печени человека хранится небольшой запас полиме- полимера глюкозы — гликогена, его достаточно, чтобы покрывать потребность в глюкозе в течение приблизительно двух суток. Суть структурно-строительной функции углеводов заклю- заключается в следующем: сложные углеводы, соединенные с белка- белками (гликопротеины) или жирами (гликолипиды), входят в со- состав клеточных мембран, обеспечивая взаимодействие клеток между собой. В состав клеток входят также жиры, или липиды. Их мо- молекулы построены из глицерина и жирных кислот. К жиропо- добным веществам относятся холестерин, стероиды, фосфоли- пиды и др. Липиды входят в состав всех клеточных мембран, являясь их основой. Липиды гидрофобны и вследствие этого непроницаемы для воды. Таким образом, липидные слои мем- мембраны защищают содержимое клетки от растворения. Это их структурно-строительная функция. Однако липиды — важный источник энергии: при окислении жиров выделяется в два с лишним раза больше энергии, чем при окислении такого же количества белков или углеводов. Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, по- построенные из мономеров — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. Существуют два вида нуклеиновых кислот: дезокси- рибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), отличаю- отличающиеся по составу азотистых оснований и Сахаров.
1.2. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ 13 .он О—Р=О х он -OH О-Р=О он Он о он /ОН -О — Р = О х он Азотистых оснований четыре: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют названия соответствующих нукле- отидов: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц) и тимидиловый (Т) (рис. 1.1). Каждая цепь ДНК пред- представляет полинуклеотид, со- состоящий из нескольких де- десятков тысяч нуклеотидов. Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состо- состоит из двух спирально закру- закрученных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связя- связями. Такую структуру,свойст- структуру,свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спи- спиралью. При образовании двойной спирали ДНК азотистые осно- основания одной цепи располага- располагаются в строго определенном порядке против азотистых ос- оснований другой. При этом об- обнаруживается важная зако- закономерность: против аденина одной цепи всегда располагается тимин другой цепи, против гуанина — цитозин и наоборот. Это объясняется тем, что па- пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются дополнительны- дополнительными, или комплементарными (от лат. complementum — до- дополнение), друг другу. Между аденином и тимином всегда возникают две, а между гуанином и цитозином — три водо- водородные связи (рис. 1.2). Следовательно, у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых— числу цитидиловых. Зная последова- последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК, по принципу комплементарности можно установить порядок нуклеотидов другой цепи. С помощью четырех типов нуклеотидов в ДНК записана вся важная информация об организме, передающаяся по на- наследству следующим поколениям, другими словами, ДНК вы- выступает носителем наследственной информации. Рис. 1.1. Четыре нуклеоти- да, из которых построены все ДНК живой природы
14 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток, но небольшое их количество содержится в митохондриях и плас- пластидах. Молекула РНК, в отличие от молекулы ДНК, — полимер, состоящий из одной цепочки значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из рибо- зы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотис- азотистых оснований. Три азотистых основания — аденин, гуанин и цитозин — такие же, как и у ДНК, а четвертое — урацил. Об- Образование полимера РНК происходит через ковалентные свя- связи между рибозой и остатком фосфорной кислоты соседних нуклеотидов. Выделяют три типа РНК, различающихся по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям. Рибосомные РНК (р-РНК) входят в состав рибосом и участ- участвуют в формировании активного центра рибосомы, где проис- происходит процесс биосинтеза белка. Транспортные РНК (т-РНК) — самые небольшие по раз- размеру — транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка. Информационные, или матричные, РНК (и-РНК) синтези- синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта информация реализуется. Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализа- реализацию наследственной информации через синтез белка. Рис. 1.2. Комплемен- )—' тарное соединение нук- (ф^С/К леотидов и образование ^^^\ / двухцепочечной моле- кулы ДНК г ^^ (ф)
1.2. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ 15 Азотистое основание аденин Три остатка фосфорной кислоты он I он I он I Н,С—О-Р — О~Р — О~Р— ОН о о о он он Рис. 1.3. Строение молекулы АТФ Молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах клетки. Важным химическим компонентом каждой клетки явля- является аденозинтрифосфат (АТФ). Это нуклеотид, при распаде которого высвобождается энергия, необходимая для жизнеде- жизнедеятельности клетки, состоящий из азотистого основания, угле- углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 1.3); со- содержится в цитоплазме, митохондриях, пластидах и ядрах. Структура АТФ неустойчива. При отделении одного остат- остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в аденозиндифосфат (АДФ), если отделяется еще один остаток фосфорной кислоты (что бывает крайне редко), то АДФ переходит в аденозинмоно- фосфат (АМФ). При отделении каждого остатка фосфорной кислоты освобождается 40 кДж энергии. АТФ + Н2О АДФ + Н2О ¦ АДФ + Н3РО4 + 40 кДж АМФ + Н3РО4 + 40 кДж Связь между остатками фосфорной кислоты называют макроэргической (она обозначается символом ~), так как при ее разрыве выделяется почти в четыре раза больше энергии, чем при расщеплении других химических связей (рис. 1.4). Для того чтобы синтезировать АТФ из АДФ, необходимо затратить столько же энергии, сколько выделяется при распа- распаде этого вещества. В клетках АТФ синтезируется в процессе распада органических молекул: углеводов, жиров, реже бел- белков.
16 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ АТФ 0 о rAAeHHH__J ^Рибоза)__о—Р—0~Р —0-{-Р —ОН 1 14 он он он \/ \^ .1„ \__ и.. +н2о- о о Риооза)_о_р_о_р он | | +Н3РО4 + 4ОкДж ОН ОН АДФ ¦-' Рис. 1.4. Структура АТФ. Превращение АТФ в АДФ Витамины (от лат. vita — жизнь) — сложные биооргани- биоорганические соединения, необходимые в малых количествах для нормальной жизнедеятельности организмов. В отличие от других органических веществ витамины не используются в качестве источника энергии или строительного материала. Некоторые витамины организмы могут синтезировать сами (например, бактерии способны синтезировать практически все витамины), другие витамины поступают в организм с пи- пищей. Витамины принято обозначать буквами латинского алфа- алфавита. В основу современной классификации витаминов поло- положена их способность растворяться в воде и жирах. Различают жирорастворимые (A, D, Е и К) и водорастворимые (В, С, PP и др.) витамины. Витамины играют большую роль в обмене веществ и дру- других процессах жизнедеятельности организма. Как недоста- недостаток, так и избыток витаминов может привести к серьезным нарушениям многих физиологических функций в организме. Кроме перечисленных неорганических (вода, минераль- минеральные соли) и органических соединений (углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, витамины), в любой клетке всегда есть много других органических веществ. Они являют- являются промежуточными или конечными продуктами биосинтеза и распада.
1.3. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ 17 1.3. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ Каждая клетка, несмотря на свои малые размеры, устро- устроена очень сложно. Клетки содержат структуры для потребле- потребления питательных веществ и энергии, выделения продуктов об- обмена, размножения. Все эти стороны жизнедеятельности клетки тесно увязаны друг с другом. Внутреннее полужидкое содержимое клетки получило на- название цитоплазмы. В цитоплазме большинства клеток на- находится ядро, координирующее жизнедеятельность клетки, и многочисленные органоиды, выполняющие разнообразные функции. В клетке как в единой системе все части — цитоплазма, ядро, органоиды — должны удерживаться вместе. Для этого в процессе эволюции развилась клеточная мембрана, которая, окружая каждую клетку, отделяет ее от внешней среды. На- Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки — цитоплазму и ядро — от повреждений, поддерживает посто- постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещест- вещества и выводит из клетки продукты обмена. Строение мембраны у всех клеток одинаково. Ее толщина составляет приблизительно 8 нм A нм = 10~9м), поэтому уви- увидеть мембрану в световой микроскоп невозможно. Данные, полученные при помощи электронного микроскопа, позволи- позволили заключить, что основу мембраны составляет двойной слой молекул липидов (рис. 1.5), в котором расположены много- многочисленные молекулы белков. Одни белки находятся на по- поверхности липидного слоя, другие пронизывают оба слоя липидов насквозь. Специаль- Специальные белки образуют тончай- тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из нее мо- могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие не- небольшой диаметр. Однако бо- более крупные частицы через мембранные каналы пройти не могут. Молекулы пищевых 1 2' Рис. 1.5. Строение клеточ- клеточной мембраны: 1 — ли- пиды; 2 — молекулы бел- белков
18 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ веществ — белки, углеводы, липиды — попадают в клетку при помощи фагоцитоза или пиноцитоза. В том месте, где пищевая частица прикасается к наружной мембране клетки, образуется впячивание, и частица попадает внутрь клетки, окруженная мембраной. Этот процесс называ- называется фагоцитозом (рис. 1.6, а). Внутрь образовавшегося пу- пузырька проникают пищеварительные ферменты, и возникает пищеварительная вакуоль. Путем фагоцитоза питаются про- простейшие. У многоклеточных организмов некоторые лейкоци- лейкоциты крови (довольно крупные амебовидные клетки), передви- передвигаясь в крови и лимфе, также способны активно захватывать и переваривать чужеродные бактерии. Их называют фагоци- фагоцитами. Пиноцитоз отличается от фагоцитоза лишь тем, что впя- впячивание наружной мембраны захватывает не твердые части- частицы, а капельки жидкости с растворенными в ней веществами (рис. 1.6, б). Это один из основных механизмов проникнове- проникновения веществ в клетку. Внешняя поверхность наружной мембраны клетки по- покрыта слоем различных молекул, связанных с белками мемб- мембраны. Совокупность этих молекул называется гликокалик- сом. В состав гликокаликса входят молекулы гликолипидов, гликопротеинов, цепочки полисахаридов. Многие молекулы гликокаликса являются частью специфических молекуляр- молекулярных рецепторов, при помощи которых клетка способна реаги- реагировать на различные внешние сигналы. Свободный конец ре- рецептора, обращенный в межклеточную среду, имеет строго определенную форму. Поэтому взаимодействовать с рецепто- рецептором могут только те молекулы, которые подходят к нему, как Рис. 1.6. Схематическое изображение процессов: фагоцитоза (а) и пиноцитоза (б)
1.3. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ 19 ключ к замку. Именно благодаря существованию специфиче- специфических рецепторов на поверхности клетки могут закрепляться молекулы так называемых информонов: медиаторов, модуля- модуляторов, гормонов, ферментов. К внутренней поверхности кле- клеточной мембраны примыкают белки цитоплазмы. Они пере- передают информацию внутрь клетки и запускают сложные кас- каскады биохимических реакций, изменяющих работу всей клетки. При контакте клеток между собой их клеточные мембраны взаимодействуют, образуя межклеточные соединения различ- различных видов. Благодаря таким соединениям соседние однотип- однотипные клетки могут быстро обмениваться электрическими и хи- химическими сигналами. Клеточное ядро — это важнейшая часть клетки. Оно есть почти во всех клетках многоклеточных организмов. Исключе- Исключение составляют красные кровяные тельца человека — эритро- эритроциты. Не имеют ядра и древнейшие на Земле одноклеточные существа — бактерии, поэтому их называют прокариотами (от лат. pro — перед, раньше и гр. karyon — ядро). Клетки всех остальных организмов — грибов, растений, животных — содержат хорошо оформленное ядро, поэтому их называют эукариотами ( от гр. ей — хорошо, полностью). Почему ядро так важно для жизнедеятельности клетки? Клеточное ядро содержит ДНК — вещество наследственности, в котором зашифрованы все свойства клетки. Поэтому ядро не- необходимо для осуществления двух важнейших функций: деле- деления, при котором образуются новые клетки, во всем подобные материнской, и регулирования всех процессов белкового син- синтеза, обмена веществ и энергии, протекающих в клетке. Ядро чаще всего имеет шаровидную или овальную форму. Обычно в клетках находится одно ядро, хотя есть и исключе- исключения. Например, два ядра у инфузории-туфельки, множество ядер — в волокнах поперечно-полосатых мышц. От цитоплазмы ядро отделено оболочкой, состоящей из двух мембран (рис. 1.7). Внутренняя мембрана гладкая, а на- наружная имеет многочисленные выступы. Общая толщина кле- клеточной оболочки — около 30 нм. В оболочке ядра имеются многочисленные поры, для того чтобы различные вещества могли попадать из цитоплазмы в ядро, и наоборот. Внутреннее содержимое ядра получило название карио- кариоплазмы, или ядерного сока. В ядерном соке расположены хро- хроматин и ядрышки.
20 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ Рис. 1.7. Схема строения клеточного ядра и его связь с цитоплазмой и эндоплаз- матической сетью: 1 — яд- ядрышко Хроматин представляет собой нити ДНК. Если клетка начинает делиться, то нити хроматина плотно скручива- скручиваются в спираль. Такие плот- плотные образования называются хромосомами. Они хорошо видны в микроскоп. Если же посмотреть е микроскоп на клетку между делениями, то окажется, что хромосомы рас- раскручены до тончайших нитей ДНК. Дело в том, что гены — участки ДНК, в которых за- зашифрована структура како- какого-либо белка, — могут функ- функционировать только в деспи- рализованном виде. Таким образом, в зависимости от то- того, в каком состоянии нахо- находится клетка, хроматин будет иметь вид или хромосом, или тончайших деспирализованных нитей. Набор хромосом, содержащийся в клетках того или иного вида организмов, получил название кариотипа. Перед деле- делением клетки хромосомы спирализуются и становятся хорошо различимыми в световой микроскоп. При рассмотрении хро- хромосом становится очевидным, что у разных видов живых ор- организмов число хромосом различное. Если число хромосом в клетках двух видов животных или растений одинаково, то различными будут их размеры, т. е. кариотип всегда непов- неповторим. Клетки, составляющие органы и ткани любого многокле- многоклеточного организма, получили название соматических. Ядра соматических клеток содержат, как правило, двойной, или диплоидный, набор хромосом — по две хромосомы каждого вида (рис. 1.8). Исходно половина хромосом досталась каждой клетке от материнской яйцеклетки, и точно такие же хромосомы — от сперматозоида отца. Парные, т. е. абсолютно одинаковые, хромосомы (одна — от матери, другая — от отца) получили название гомологичных хромосом. Исключение составляют половые хромосомы: X — доставшаяся от матери и одна из двух — X или Y — доставшаяся от отца. Количество хромосом в ядре клеток какого-либо организма не определяет
1.3. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ 21 II lilt Un кии 9 10 11 12 13 14 15 II и м " ** И* 16 17 18 19 20 21 22 "хУ Рис. 1.8. Нормальный хромосомный набор мужчины: /—22 — пары хромосом; ХУ — половые хромосомы уровень его сложности. Так, диплоидный набор в клетках ас- аскариды — 2 хромосомы; мушки-дрозофилы — 8; зеленой жа- жабы — 26; пресноводной гидры — 32; человека — 46; домаш- домашней собаки — 78; речного рака — 118, а миноги — 174. Набор различных по размерам и форме хромосом клеток данного вида, где каждая хромосома представлена в единст- единственном числе, называется гаплоидным, в отличие от диплоид- диплоидного набора, когда каждой хромосомы — по две. Гаплоидный набор содержится в ядрах половых клеток {гамет). Если у че- человека диплоидный набор — 46 хромосом, то гаплоидный соответственно — 23. В интерфазе клеточного деления каждая хромосома удва- удваивается и состоит из двух хроматид. При этом у человека в со- соматических клетках будет 92 хроматиды, попарно соединен- соединенных в 46 хромосом. Ядрышко представляет собой плотное округлое тело, взве- взвешенное в ядерном соке. Ядрышки связаны с определенными участками ДНК ядра. Функция ядрышек — синтез РНК и белков, из которых формируются особые органоиды — рибо- рибосомы. Обычно в ядре клетки бывает от одного до семи ядры- ядрышек. Они хорошо видны между делениями клетки, а во время деления — разрушаются. Вся цитоплазма пронизана многочисленными каналами, стенки которых образованы мембраной, сходной с той, что со-
22 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ставляет наружную оболочку клетки (рис. 1.9). Эти каналы могут ветвиться, соединяться друг с другом, и в результате возникает единая транспортная система клетки, получившая название эндоплазматической сети (ЭПС). Каналов ЭПС так много, что они могут занимать до 50% внутреннего объема клетки. Просвет каналов ЭПС бывает различным, но средняя его величина — 50 нм. При большом увеличении под микро- микроскопом видно, что часть мембран сети покрыта рибосомами. Эту часть ЭПС называют шероховатой (гранулярной). Основ- Основная функция шероховатой ЭПС — синтез белков в рибосомах. Особенно развит этот вид каналов в клетках желез, где проис- происходит синтез гормональных белков. Другая часть ЭПС не по- покрыта рибосомами и получила название гладкой. Гладкая ЭПС, по-видимому, выполняет в основном транспортную функцию. Этот вид каналов часто встречается в клетках селе- селезенки и лимфатических узлов человека. Таким образом, ЭПС, с одной стороны, является транспортной системой клетки, а с другой стороны, в ней происходит синтез ряда веществ, не- необходимых иногда только самой клетке, а в других случаях — и многим клеткам многоклеточного организма. Рибосомы — это небольшие шарообразные органоиды, диаметром 10—30 нм. Образованы они рибонуклеиновыми кислотами и белками. Каждая рибосома состоит из несколь- нескольких частей. Рибосомы формируются в ядрышках ядра, затем выходят в цитоплазму, где и начинают выполнять свою функцию — синтез белков. В цитоплазме рибосомы чаще все- Рис. 1.9. Электронная микрофотография участка грануляр- гранулярной эндоплазматической сети
1.3. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ 23 Рис. 1.10. Строение комп- комплекса Гольджи: 1 — цис- цистерны; 2 — мембранные пузырьки го расположены на шероховатой ЭПС. Реже они свободно взве- взвешены в цитоплазме клетки. Образующиеся в клетке белки, жиры и углеводы далеко не всегда используются сразу же, поэтому значительная часть синтезируемых клеткой ве- веществ по каналам ЭПС посту- поступает в особые полости, отгра- отграниченные от цитоплазмы мем- мембраной. Эти полости, уложен- уложенные своеобразными стопками, «цистернами», получили на- название комплекса Гольджи (рис. 1.10). Здесь вещества, необходимые самой клетке, например пищеварительные ферменты, упаковываются в мембранные пузырьки, от- отпочковываются и разносятся по цитоплазме. В комплексе Гольджи также накапливают- накапливаются вещества, которые клетка синтезирует для нужд всего организма и которые выво- выводятся из клетки наружу. Ча- Чаще всего цистерны комплекса Гольджи расположены вблизи от ядра клетки. Когда в клетку путем фа- фагоцитоза или пиноцитоза по- попадают различные питатель- питательные вещества, их необходимо переваривать. При этом бел- белки должны разрушиться до отдельных аминокислот, по- полисахариды — до молекул глюкозы или фруктозы, липи- ды — до глицерина и жирных кислот. Чтобы внутриклеточ- внутриклеточное переваривание стало воз- возможным, фагоцитарный или пиноцитарный пузырек дол- должен слиться с лизосомой (рис. 1.11). Лизосома — ма- Рис. 1.11. Схема перевари- переваривания клеткой пищевой частицы при помощи лизо- сомы
24 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ленький пузырек, диаметром всего 0,5—1,0 мкм, содержа- содержащий большой набор ферментов, способных разрушать пище- пищевые вещества. В одной лизосоме могут находиться 30—50 раз- различных ферментов. Лизосомы окружены мембраной, способной выдержать воздействие этих ферментов. Формиру- Формируются лизосомы в комплексе Гольджи. Именно в этой структу- структуре накапливаются синтезированные пищеварительные фер- ферменты, а затем от цистерн комплекса Гольджи отходят в цито- цитоплазму лизосомы, которые иногда разрушают и саму клетку, в которой образовались. В цитоплазме расположены также митохондрии — энер- энергетические органоиды клеток (рис. 1.12). Форма митохондрий различна: они могут быть овальными, округлыми, палочко- палочковидными. Диаметр их около 1 мкм, а длина — до 7—10 мкм. Митохондрии покрыты двумя мембранами: внешняя мембра- мембрана гладкая, а внутренняя имеет многочисленные складки и выступы — кристы. В мембрану крист встроены ферменты, синтезирующие за счет энергии питательных веществ, погло- поглощенных клеткой, молекулы АТФ — универсального источни- источника энергии для всех процессов, происходящих в клетке. Количество митохондрий в клетках различных живых су- существ и тканей неодинаково. Например, в сперматозоидах мо- может быть всего одна митохондрия. Зато в клетках тканей, где велики энергетические затраты, митохондрий бывает до не- нескольких тысяч. Количество митохондрий в клетке зависит и от ее возраста: в молодых клетках митохондрий гораздо боль- больше, чем в стареющих. Митохондрии содержат собственную Рис. 1.12. Строение митохондрии: 1 — внутренняя мембра- мембрана; 2 — внешняя мембрана; 3 — матрикс; 4 — кристы
1.3. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ 25 ДНК и могут самостоятельно размножаться. Например, перед делением клетки число митохондрий в ней возрастает таким образом, чтобы их хватило на две клетки. Митохондрии содержатся во всех эукариотических клет- клетках, а в прокариотических клетках их нет. Этот факт, а также наличие в митохондриях ДНК позволило ученым выдвинуть гипотезу о том, что предки митохондрий когда-то были сво- бодноживущими существами, напоминающими бактерии. Со временем они поселились в клетках других организмов, воз- возможно, паразитируя в них. А затем за многие миллионы лет превратились в важнейшие органоиды, без которых ни одна эукариотическая клетка не может существовать. Клеточный центр расположен в цитоплазме всех клеток вблизи от ядра. Он необходим для формирования внутреннего скелета клетки — цитоскелета. Из области клеточного цент- центра расходятся многочисленные микротрубочки, поддержи- поддерживающие форму клетки и играющие роль своеобразных рель- рельсов для движения органоидов по цитоплазме. У животных и низших растений клеточный центр образован двумя цент- риолями — цилиндрами длиной около 0,3 мкм и диаметром 0,1 мкм, состоящими из тончайших микротрубочек. Микро- Микротрубочки расположены по окружности центриолей по три (триплетами), а еще две микротрубочки лежат по оси каждой из двух центриолей. Центриоли находятся в цитоплазме под прямым углом друг к другу. Очень велика роль клеточного центра при делении клеток, когда центриоли расходятся к по- полюсам делящейся клетки и образуют веретено деления. У выс- высших растений клеточный центр устроен по-другому и цент- центриолей не имеет. Многие клетки способны к движению, например: инфузо- инфузория-туфелька, эвглена зеленая, амебы. Некоторые из этих ор- организмов двигаются при помощи особых органоидов движе- движения — ресничек и жгутиков. Жгутики имеют относительно большую длину, например, у сперматозоидов млекопитающих она достигает 100 мкм. Реснички гораздо короче: около 10—15 мкм. Однако внутрен- внутреннее строение ресничек и жгутиков одинаково: они образованы такими же микротрубочками, как центриоли клеточного центра. Движение жгутиков и ресничек вызвано скольжени- скольжением микротрубочек относительно друг друга, в результате чего эти органоиды изгибаются. В основании каждой реснички или жгутика лежит базалъное тельце, которое укрепляет их в
26 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ цитоплазме клетки. На работу жгутиков и ресничек расходу- расходуется энергия АТФ. Органоиды движения часто встречаются и у клеток много- многоклеточных организмов. Например, эпителий бронхов человека покрыт множеством (около 109 на 1 см2) ресничек. Все реснич- реснички каждой эпителиальной клетки двигаются строго согласован- согласованно, образуя своеобразные волны, хорошо заметные под микро- микроскопом. Такие «мерцательные» движения ресничек помогают очистке бронхов от инородных частиц, пыли. Жгутики есть и у таких специализированных клеток, как сперматозоиды. Помимо обязательных для клетки органоидов, в ней есть образования то появляющиеся, то исчезающие в зависимости от ее состояния. Эти образования получили название клеточ- клеточных включений. Чаще всего клеточные включения находятся в цитоплазме и представляют собой питательные вещества или гранулы веществ, синтезируемых этой клеткой. Это мо- могут быть мелкие капли жира, гранулы крахмала или гликоге- гликогена, реже — гранулы белка, кристаллы солей. 1.4. СИНТЕЗ БЕЛКОВ В КЛЕТКЕ Одним из важнейших процессов, протекающих в клетке, является синтез белков. Каждая клетка содержит тысячи бел- белков, в том числе и присущих только данному виду клеток. Так как в процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются, клетка должна непрерывно синтезировать бел- белки для восстановления своих мембран, органоидов и т. п. Кро- Кроме того, многие клетки изготовляют белки для нужд всего ор- организма, например клетки желез внутренней секреции, выде- выделяющие в кровь белковые гормоны. В таких клетках синтез белка идет особенно интенсивно. Синтез белка требует больших затрат энергии. Источни- Источником этой энергии, как и для всех клеточных процессов, явля- является АТФ. Многообразие функций белков определяется их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в их мо- молекуле. В свою очередь наследственная информация о первич- первичной структуре белка заключена в последовательности нуклео- тидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном. В одной хромосоме находится информация о структуре многих сотен белков.
1.4. СИНТЕЗ БЕЛКОВ В КЛЕТКЕ 27 Каждой аминокислоте белка в ДНК соответствует последо- последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеоти- дов — триплет. К настоящему времени составлена карта ге- генетического кода, т. е. известно, какие триплетные сочета- сочетания нуклеотидов ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков (табл. 1.1). Таблица 1.1 КАРТА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА Аминокислота Алании Аргинин Аспарагин Аспарагиновая кислота Валин Гистидин Глицин Глутамин Глутаминовая кислота Изолейцин Лейцин Лизин Метионин Пролин Серии Тирозин Треонин Триптофан Фенилаланин Цистеин Знаки препинания Кодирующие триплеты (кодоны) ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ АГА АГГ ААУААЦ ГАУ ГАЦ ГУУГУЦГУАГУГ ЦАУЦАЦ ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ ЦААЦАГ ГААГАГ АУУ АУЦ АУА ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ УУА УУГ АААААГ АУГ ЦЦУЦЦЦЦЦАЦЦГ У ЦУ УЦЦ УЦА У ЦГ АГУ АГЦ УАУ УАЦ АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ УГГ УУУ УУЦ УГУ УГЦ УААУАГУГА В состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число соче- сочетаний из 4 по 3 составляет: 43= 64, т. е. можно закодировать
28 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ 64 различные аминокислоты, тогда как кодируется только 20 аминокислот. Оказалось, что многим аминокислотам соот- соответствует не один, а несколько различных триплетов — кодо- нов. Предполагается, что такое свойство генетического кода по- повышает надежность хранения и передачи генетической инфор- информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона: ЦГА, ЦГГ, ЦТГ, ЦГЦ, и получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде не может отра- отразиться на структуре белка — все равно это будет кодон аланина. Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее со- состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками пре- препинания» и обозначающие начало и конец того или иного гена. Очень важное свойство генетического кода — специфич- специфичность, иными словами, один триплет всегда обозначает только одну-единственную аминокислоту. Генетический код универ- универсален для всех живых организмов, от бактерий до человека. Носителем всей генетической информации является ДНК, расположенная в ядре клетки. Сам синтез белка происходит в цитоплазме клетки, на рибосомах. Из ядра в цитоплазму ин- информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (и-РНК). Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок ДНК «разматывается», деспирализуется, а затем по принципу комплементарности на одной из цепочек ДНК с помощью фер- ферментов синтезируются молекулы РНК (рис. 1.13). Это проис- происходит следующим образом: против, например, гуанина моле- молекулы ДНК становится цитозин молекулы РНК, против адени- Рис. 1.13. Схема об- образования информа- информационной РНК по мат- матрице ДНК (транс- (транскрипция) -А ДНК -Г -ц -т - т -А -Т -ц -Г А - Л -11 |- т ц- г- А- А- ЕмЭН 1 г- Ц- т 1 — р _ А+Л, А- Г - ц- У- У- Синтезированная цепочка и-РНК 1 РНК-полимераза 1 1 Направление движения фермента
1.4. СИНТЕЗ БЕЛКОВ В КЛЕТКЕ 29 на молекулы ДНК — урацил РНК, против тимина ДНК — аденин РНК и против цитозина ДНК — гуанин РНК. Так же формируется цепочка и-РНК, представляющая собой точную копию второй цепи ДНК (только тимин заменен на урацил). Таким образом, информация о последовательности нукле- отидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последова- последовательность нуклеотидов и-РНК. Этот процесс получил назва- название транскрипции. У прокариот синтезированные молекулы и-РНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами, и на- начинается синтез белка. У эукариот и-РНК взаимодействует в ядре со специальными белками и переносится через ядерную оболочку в цитоплазму. В цитоплазме обязательно должен быть набор аминокислот, необходимых для синтеза белка. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления пищевых белков. Кроме того, та или иная аминокислота может попасть к месту непосредственного синтеза белка, т. е. в рибосому, только прикрепившись к спе- специальной транспортной РНК (т-РНК). Для переноса каждого ви- вида аминокислот в рибосомы нужен отдельный вид т-РНК. Так как в состав белков вхо- входит около 20 аминокислот, су- существует столько же видов т-РНК. Строение всех т-РНК сходно (рис. 1.14). Их моле- молекулы образуют своеобразные структуры, напоминающие по форме лист клевера. Виды т-РНК обязательно различа- различаются по триплету нуклеоти- нуклеотидов, расположенному на «вер- «верхушке». Этот триплет, полу- получивший название антикодон, по генетическому коду соот- соответствует той аминокислоте, которую предстоит переносить этой т-РНК. К «черешку лис- листа» специальный фермент прикрепляет обязательно ту аминокислоту, которая коди- кодируется триплетом, компле- комплементарным антикодону. VI Рис. 1.14. Схема строения одной из молекул транс- транспортной РНК: /, II, III, IV — участки комплемен- комплементарного соединения; V — антикодон; VI — участок соединения с аминокисло- аминокислотой
30 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ В цитоплазме происходит последний этап синтеза белка — трансляция. На тот конец и-РНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома (рис. 1.15). Рибосома пе- перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, «скачками», за- задерживаясь на каждом триплете приблизительно 0,2 с. За это мгновение одна т-РНК из многих способна «опознать» своим антикодоном триплет, на котором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокис- аминокислота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пеп- пептидной связью к растущей белковой цепочке. В этот момент рибосома сдвигается по и-РНК на следующий триплет, ко- кодирующий очередную аминокислоту синтезируемого белка, а очередная т-РНК «подносит» необходимую аминокислоту, наращивающую цепочку белка. Эта операция повторяется столько раз, сколько аминокислот должен содержать «строя- «строящийся» белок. Когда в рибосоме оказывается один из трипле- триплетов, являющийся «стоп-сигналом» между генами, то ни одна и-РНК к такому триплету присоединиться не может, так как антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается. Все описываемые реакции происходят за очень короткие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез довольно крупной молекулы белка уходит всего около двух минут. Участок выполнения Участок получения приказа . команды Антикодон и-РНК А-У-Г-А- Г-Ц-А-Ц-А-А-А- Направление движения и-РНК Разные т-РНК со своими аминокислотами Рис. 1.15. Схема синтеза белка в рибосоме (трансляция)
1.5. ТКАНИ: СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ <П Клетке необходима не одна, а много молекул каждого бел- белка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на и-РНК, продвинется вперед, за ней на ту же и-РНК нанизывается вторая рибосома, синтезирующая тот же белок. Затем на и-РНК последовательно нанизываются третья, чет- четвертая рибосомы и т. д. Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной и-РНК, называются полисомами. Когда синтез белка окончен, рибосома может найти другую и-РНК и начать синтезировать тот белок, струк- структура которого закодирована в новой и-РНК. Таким образом, трансляция — это перевод последователь- последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка. Подсчитано, что все белки организма млекопитающего мо- могут быть закодированы всего 2% ДНК, содержащимися в его клетках. Для чего же нужны остальные 98% ДНК? Оказыва- Оказывается, каждый ген устроен гораздо сложнее, чем считали рань- раньше, и содержит не только тот участок, в котором закодирова- закодирована структура какого-либо белка, но и специальные участки, способные «включать» или «выключать» работу каждого ге- гена. Вот почему все клетки, например, человеческого организ- организма, имеющие одинаковый набор хромосом, способны синтези- синтезировать различные белки: в одних клетках синтез белков идет с помощью одних генов, а в других — задействованы совсем иные гены. Итак, в каждой клетке реализуется только часть генетической информации, содержащейся в ее генах. Синтез белка требует участия большого числа ферментов. И для каждой отдельной реакции белкового синтеза требуют- требуются специализированные ферменты. 1.5. ТКАНИ: СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ Ткань — система клеток и неклеточных образований, ко- которые имеют общее происхождение, строение и выполняют в организме сходные функции. Выделяют четыре основные группы тканей: эпителиальные, соединительные, мышечные и нервные. Эпителиальные ткани состоят из тесно прилегающих друг к другу клеток. Межклеточного вещества мало. Эпители- Эпителиальные ткани (эпителий) образуют покровы тела, слизистые оболочки всех внутренних органов и полостей, а также боль- большинство желез. Эпителий располагается на соединительной
32 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ткани, обладает высокой способностью к регенерации. По про- происхождению эпителий может быть производным эктодермы или энтодермы. Эпителиальные ткани выполняют несколько функций: 1) защитную — многослойный эпителий кожи и его произ- производные: ногти и волосы, роговица глаза, ресничный эпителий, выстилающий воздухоносные пути и очищающий воздух; 2) железистую — эпителием образована поджелудочная же- железа, печень, слюнные, слезные и потовые железы; 3) обменную — всасывание продуктов переваривания пи- пищи в кишечнике, поглощение кислорода и выделение угле- углекислого газа в легких. Соединительные ткани состоят из клеток и большого ко- количества межклеточного вещества. Межклеточное вещество представлено основным веществом и волокнами коллагена или эластина. Соединительные ткани хорошо регенерируют, все они развиваются из мезодермы. К соединительным тканям относят: кость, хрящ, кровь, лимфу, дентин зубов, жировую ткань. Соединительная ткань выполняет следующие функ- функции: 1) механическую — кости, хрящ, образование связок и су- сухожилий; 2) соединительную — кровь и лимфа связывают воедино все органы и ткани организма; 3) защитную — выработка антител и фагоцитоз клетками крови; участие в заживлении ран и регенерации органов; 4) кроветворную — лимфатические узлы, селезенка, крас- красный костный мозг; 5) трофическую или обменную — например, кровь и лим- лимфа участвуют в обмене веществ и питании организма. Клетки мышечных тканей обладают свойствами возбуди- возбудимости и сократимости. В состав мышечных клеток входят осо- особые белки, способные, взаимодействуя, изменять длину этих клеток. Мышечные ткани участвуют в образовании опор- опорно-двигательного аппарата, сердца, стенок внутренних орга- органов и большинства кровеносных и лимфатических сосудов. По происхождению мышечные ткани являются производны- производными мезодермы. Различают несколько видов мышечных тка- тканей: поперечно-полосатая, гладкая и сердечная. Основные функции мышечной ткани: 1) двигательная— движение тела и его частей, сокра- сокращение стенок желудка, кишечника, артериальных сосудов, сердца;
1.5. ТКАНИ: СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ 33 2) защитная — защита органов, находящихся в грудной клетке, и особенно в брюшной полости, от внешних механиче- механических воздействий. Нервная ткань состоит из нервных клеток — нейронов и вспомогательных нейроглиальных клеток, или клеток-спут- клеток-спутниц. Нейрон — элементарная структурно-функциональная еди- единица нервной ткани. Основные функции нейрона: генерация, проведение и передача нервного импульса, который является носителем информации в нервной системе. Нейрон состоит из тела и отростков, причем эти отростки дифференцированы построению и функции (рис. 1.16). Длина отростков у раз- различных нейронов колеблется от нескольких микрометров до 1—1,5 м. Длинный отросток (нервное волокно) у большинства нейронов имеет миелиновую оболочку, состоящую из особого жироподобного вещества — миелина. Она образуется одним из типов нейроглиальных клеток — олигодендроцитами. По наличию или отсутствию миелиновой оболочки все во- волокна делятся соответственно на мякотные (миелинизирован - Рис. 1.16. Схема внеш- внешнего и внутреннего стро- строения нейрона: 1 — денд- риты и их отростки; 2 — комплекс Гольджи; 3 — микротрубочки; 4 — ак- аксон; 5 — коллатерали аксона; 6 — ядро; 7 — гранулярная эндоплаз- менная сеть; 8 — мито- митохондрии
34 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ные) и безмякотные (немиелинизированные). Последние по- погружены в тело специальной нейроглиальной клетки нейро- леммоцита (рис. 1.17). Миелиновая оболочка имеет белый цвет, что позволило раз- разделить вещество нервной системы на серое и белое. Тела нейро- нейронов и их короткие отростки образуют серое вещество мозга, а волокна — белое вещество. Миелиновая оболочка способст- способствует изоляции нервного волокна. Нервный импульс проводит- проводится по такому волокну быстрее, чем по лишенному миелина. Миелин покрывает не все волокно: примерно на расстоянии в 1 мм в нем имеются промежутки — перехваты Ранвье, участ- участвующие в быстром проведении нервного импульса. Функциональное различие отростков нейронов связано с проведением нервного импульса. Отросток, по которому им- импульс идет от тела нейрона, всегда один и называется аксоном. Аксон практически не меняет диаметр на всем своем протяже- протяжении. У большинства нервных клеток это длинный отросток. Исключением являются нейроны чувствительных спинномоз- спинномозговых и черепных ганглиев, у которых аксон короче дендрита. Аксон на конце может ветвиться. В некоторых местах (у ми- елинизированных аксонов — в перехватах Ранвье) от аксонов 1 MM a) Рис. 1.17. Оболочки нервных волокон: а — миелиновая; б — ее образование (процесс наслоения показан стрелкой); в — оболочка безмякотного волокна; 1 — аксон; 2 — ядро глиальной клетки; 3 — слои оболочки; 4 — перехват Ранвье; 5 — волокно погружено в тело нейролеммоцита
1.5. ТКАНИ: СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ 3 5 могут перпендикулярно отходить тонкие ответвления — кол- латерали. Отросток нейрона, по которому импульс идет к те- телу клетки, — дендрит. Нейрон может иметь один или не- несколько дендритов. Дендриты отходят от тела клетки посте- постепенно и ветвятся под острым углом. Скопления нервных волокон в ЦНС называются тракта- трактами, или путями. Они осуществляют проводящую функцию в различных отделах головного и спинного мозга и образуют там белое вещество. В периферической нервной системе от- отдельные нервные волокна собираются в пучки, окруженные соединительной тканью, в которой проходят также кровенос- кровеносные и лимфатические сосуды. Такие пучки образуют нервы — скопления длинных отростков нейронов, покрытых общей оболочкой. Если информация по нерву идет от периферических чувст- чувствительных образований — рецепторов — в головной или спин- спинной мозг, то такие нервы называются чувствительными, центростремительными или афферентными. Чувствитель- Чувствительные нервы — нервы, состоящие из дендритов чувствитель- чувствительных нейронов, передающие возбуждение от органов чувств к ЦНС. Если информация по нерву идет из ЦНС к исполни- исполнительным органам (мышцам или железам), нерв называется центробежным, двигательным или эфферентным. Двига- Двигательные нервы — нервы, образованные аксонами двигатель- двигательных нейронов, проводящие нервные импульсы от центра к рабочим органам (мышцам или железам). В смешанных не- нервах проходят как чувствительные, так и двигательные во- волокна. В том случае, когда нервные волокна подходят к како- какому-либо органу, обеспечивая его связь с ЦНС, принято гово- говорить об иннервации данного органа волокном или нервом. Тела нейронов с короткими отростками по-разному распо- расположены относительно друг друга. Иногда они образуют доста- достаточно плотные скопления, которые называются нервными ганглиями, или узлами (если они находятся за пределами ЦНС, т. е. в периферической нервной системе), и ядрами (если они находятся в ЦНС). Нейроны могут образовывать кору — в этом случае они расположены слоями, причем в каждом слое находятся нейроны, сходные по форме и выполняющие определенную функцию (кора мозжечка, кора больших полу- полушарий). Кроме того, в некоторых участках нервной системы (ретикулярная формация) нейроны расположены диффузно,
36 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ не образуя плотных скоплений и представляя собой сетчатую структуру, пронизанную волокнами белого вещества. Передача сигнала от клетки к клетке осуществляется в особых образованиях — синапсах. Это специализированная структура, обеспечивающая передачу нервного импульса с нервного волокна на какую-либо клетку (нервную, мышеч- мышечную). Передача осуществляется с помощью особых веществ — медиаторов. Нейроны разнообразны по форме, числу отростков, вели- величине. Тела самых крупных нейронов достигают в диаметре 100—120 мкм (гигантские пирамиды Беца в коре больших по- полушарий), самые мелкие — 4—5 мкм (зернистые клетки коры мозжечка). По количеству отростков нейроны делятся на мультиполярные, биполярные, униполярные и псевдоунипо- псевдоуниполярные. Мультиполярные нейроны имеют один аксон и мно- много дендритов, это большинство нейронов нервной системы. Би- Биполярные имеют один аксон и один дендрит, униполярные — только аксон; они характерны для анализаторных систем. Из тела псевдоуниполярного нейрона выходит один отросток, ко- который сразу после выхода делится на два, один из которых выполняет функцию дендрита, а другой аксона. Такие нейро- нейроны находятся в чувствительных ганглиях (рис. 1.18). а) Рис. 1.18. Типы нейронов: а — псевдоуниполярный ней- нейрон; б — биполярный нейрон; в — мотонейрон спинного мозга; г — пирамидный нейрон коры больших полушарий; д — клетка Пуркинье мозжечка; 1 — дендрит; 2 — тело нейрона; 3 — аксон; 4 — коллатераль аксона
1.5. ТКАНИ: СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ 37 Функционально нейроны подразделяются на чувстви- чувствительные, вставочные (релей- (релейные и интернейроны) и дви- двигательные. Чувствительные нейроны — нервные клетки, воспринимающие раздраже- раздражения из внешней или внутрен- внутренней среды организма. Двига- Двигательные нейроны — моторные нейроны, иннервирующие мы- мышечные волокна. Кроме того, некоторые нейроны иннерви- руют железы. Такие нейроны вместе с двигательными назы- называют исполнительными. Часть вставочных нейро- нейронов (релейные, или переключа- переключательные, клетки) обеспечивает связь между чувствительными и двигательными нейронами. Релейные клетки, как прави- правило, весьма крупные, с длин- длинным аксоном (тип Гольджи I). Другая часть вставочных ней- нейронов имеет небольшой раз- размер и относительно короткие аксоны (интернейроны, или тип Гольджи II). Их функция связана с управлением состоя- состояния релейных клеток. Все перечисленные нейро- нейроны формируют совокупнос- совокупности — нервные цепи и сети, проводящие, обрабатывающие и запоминающие информацию (рис. 1.19). На концах отростков ней- нейронов расположены нервные окончания (концевой аппарат нервного волокна). Соответ- Соответственно функциональному раз- разделению нейронов различают Рис. 1.19. Схема нейросе- ти: 1 — чувствительный нейрон; 2 — релейный нейрон; 3 — двигательный нейрон; 4 — интернейро- интернейроны типа Гольджи II; 5 — рецепторное окончание чувствительного нейрона в коже; 6 — эффекторное окончание двигательного (исполнительного) нейрона на мышце; —* — направ- направление проведения нервного сигнала
38 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ рецепторные, эффекторные и межнейронные окончания. Ре- цепторными называются окончания дендритов чувствитель- чувствительных нейронов, воспринимающие раздражение; эффекторны- ми — окончания аксонов исполнительных нейронов, образую- образующие синапсы на мышечном волокне или на железистой клетке; межнейронными — окончания аксонов вставочных и чувствительных нейронов, образующие синапсы на других нейронах. Общее направление эволюции ЦНС — увеличение числа вставочных нейронов. Из более чем ста миллиардов нейронов человека не менее 70% составляют именно вставочные нерв- нервные клетки. Одной из особенностей нейронов является то, что после развития в эмбриональном периоде из клеток-предшествен- клеток-предшественниц — нейробластов — нейроны существуют не делясь, т. е. постоянно находятся в интерфазе. Это биологически оправда- оправдано, так как в течение всей жизни организма между нейронами постоянно образуются новые связи. Они утрачивались бы в случае деления нейрона, и, следовательно, терялся бы инди- индивидуальный опыт особи, «записанный» на синапсах. Необходимо также подчеркнуть высокую скорость обмен- обменных процессов в нервной ткани. Показателем этого в первую очередь является потребление кислорода. Установлено, что головной мозг человека, вес которого составляет 2—2,5% от веса тела, потребляет до 20% поступающего в организм кис- кислорода. flu Й 1 ТВ w Ш Рис. 1.20. Виды нейроглии: а — астроциты; б — олиго- дендроциты; в — клетки микроглии среди более крупных нейронов
1.5. ТКАНИ: СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ 39 Как уже отмечалось, в нервную ткань, кроме нейронов, вхо- входят и клетки — спутницы нейронов — нейроглия (рис. 1.20). Клетки нейроглии (астроциты, олигодендроциты, микроглия) заполняют все пространство между нейронами, защищая их от механических повреждений (опорная функция). Их при- примерно в 10 раз больше, чем нейронов, и, в отличие от них, гли- альные клетки сохраняют способность к делению в течение всей жизни. Кроме того, они образуют миелиновые оболочки вокруг нервных волокон. В ходе этого процесса олигодендроцит (в ЦНС) или его разновидность — шванновская клетка (в пе- периферической нервной системе) обхватывает участок нервно- нервного волокна. Затем она образует вырост в виде язычка, который закручивается вокруг волокна, формируя слои миелина (ци- (цитоплазма при этом выдавливается). Таким образом, слои ми- миелина представляют собой, по сути, плотно спрессованную ци- топлазматическую мембрану. Нейроглия выполняет также защитную функцию. Она за- заключается, во-первых, в том, что глиальные клетки (в основ- основном астроциты) вместе с эпителиальными клетками капилля- капилляров образуют барьер между кровью и нейронами, не пропу- пропуская к последним нежелательные (вредные) вещества. Такой барьер называют гематоэнцефалическим. Во-вторых, клетки микроглии выполняют в нервной системе функцию фагоци- фагоцитов. Осуществляя трофическую функцию, нейроглия снабжа- снабжает нейроны питательными веществами, управляет водно-соле- водно-солевым обменом и т. п.
2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 2.1. РЕФЛЕКТОРНЫЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ МОЗГА Нервная система объединяет организм человека в единое целое, регулирует и координирует функции всех органов и систем, поддерживает постоянство внутренней среды организ- организма (гомеостаз), устанавливает взаимоотношения организма с внешней средой. Для нервной системы характерны точная направленность нервных импульсов, большая скорость проведения информа- информации, быстрая приспособляемость к изменяющимся условиям внешней среды. У человека нервная система создает основу психической деятельности, анализа и синтеза поступающей в организм информации (мышления, речи, сложных форм со- социального поведения). Эти сложнейшие и жизненно важные задачи решаются с помощью нейронов, выполняющих функцию восприятия, пе- передачи, обработки и хранения информации. Сигналы (нервные импульсы) от органов и тканей человека и из внешней среды, воздействующей на поверхность тела и органы чувств, посту- поступают по нервам в спинной и головной мозг. В мозге человека происходят сложные процессы обработки информации. В ре- результате из мозга также по нервам к органам и тканям идут ответные сигналы, вызывающие реакцию организма, которая проявляется в виде мышечной или секреторной деятельности. В ответ на поступившие из мозга импульсы происходит сокра- сокращение скелетных мышц или мускулатуры в стенках внутрен- внутренних органов, кровеносных сосудов, а также секреция различ- различных желез — слюнных, желудочных, кишечных, потовых и
2.1. РЕФЛЕКТОРНЫЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ МОЗГА 41 других (выделение слюны, желудочного сока, желчи, гормо- гормонов железами внутренней секреции). Из мозга к рабочим органам (мышцам, железам) нервные импульсы также следуют по цепям нейронов. Ответную реак- реакцию организма на воздействия внешней среды или изменения его внутреннего состояния, выполняемую с участием нервной системы, называют рефлексом (от лат. reflexus — отражение, ответная реакция). Путь, состоящий из цепей нейронов, по которому нервный импульс проходит от чувствительных нервных клеток до рабочего органа, называют рефлекторной дугой. У каждой рефлекторной дуги можно выделить первый нейрон — чувствительный, или приносящий, который восп- воспринимает воздействия, образует нервный импульс и приносит его в ЦНС. Следующие нейроны (один или несколько) являют- являются вставочными, проводниковыми нейронами, расположен- расположенными в головном мозге. Вставочные нейроны проводят нерв- нервные импульсы от приносящего, чувствительного нейрона к последнему, выносящему, эфферентному нейрону. Послед- Последний нейрон выносит нервный импульс из мозга к рабочему ор- органу (мышце, железе), включает этот орган в работу, вызыва- вызывает эффект, поэтому называется также эффекторным нейро- нейроном. Простая рефлекторная дуга состоит из трех нейронов (рис. 2.1). Тело первого нейрона (чувствительного, принося- приносящего) располагается в спинномозговом узле (или чувствитель- чувствительном узле черепного нерва). Периферические отростки этих чувствительных клеток (дендриты) проходят в составе соот- соответствующих спинномозговых (или черепных) нервов на пе- периферию, где заканчиваются чувствительными нервными окончаниями (рецепторами), воспринимающими раздраже- раздражения. Возникший в рецепторе нервный импульс по нервному волокну передается к телу нервной клетки, а затем по ее аксо- аксону в составе чувствительного нерва поступает в спинной или головной мозг. В спинном или головном мозге нервный им- импульс передается следующему, второму (вставочному) нейро- нейрону, который проводит импульс к третьему выносящему (дви- (двигательному или секреторному) нейрону. Аксон (нейрит) третьего нейрона выходит из спинного (головного) мозга в со- составе переднего (двигательного) корешка спинномозгового или соответствующего черепного нерва и направляется к рабо- рабочему органу. Сложные рефлекторные дуги состоят из многих нейронов. У таких рефлекторных дуг между приносящим (афферент-
42 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 4 6 1 11 10 Рис. 2.1. Схема простой рефлекторной дуги: 1 — передний канатик спинного мозга; 2 — передний рог; 3 — боковой канатик; 4 — задний рог; 5 — задний корешок спинномоз- спинномозгового нерва; 6 — вставочный (проводниковый) нейрон; 7 — приносящий (чувствительный) нейрон; 8 — спинно- спинномозговой узел; 9 — спинномозговой нерв; 10 — корешок спинномозгового нерва; 11 — выносящий (двигательный) нейрон ным) и выносящим (эфферентным) нейронами располагается несколько вставочных нейронов, передающих нервный им- импульс от одной нервной клетки к следующей клетке. 2.2. ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Нервная система человека образуется из наружного слоя клеток зародыша — эктодермы, и в начале своего развития представляет собой трубку, в центре которой находится ка- канал. В конце третьей недели развития головной конец нерв- нервной трубки преобразуется в мешковидное расширение, даю- дающее начало трем первичным мозговым пузырям, а задний от- отдел дает начало спинному мозгу. В дальнейшем из переднего мозгового пузыря развивается передний мозг, из среднего — средний мозг, из заднего — задний мозг (рис. 2.2). Затем из трех пузырей образуется пять, так как первый и третий первичные мозговые пузыри разделяются, образуя каждый по два вторичных мозговых пузыря. Производными двух передних пузырей являются конечный мозг (полушария большого мозга и базальные ганглии) и промежуточный мозг. Средний мозг сохраняется как единое целое. Задний мозг раз-
2.3. ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 43 а) Рис. 2.2. Стадии раннего развития головного мозга: а — стадия трех мозговых пузырей; б — стадия пяти мозговых пузырей; / — вид сбоку; // — вид сверху; / — задний мозг; 2 — передний мозг; 3 — средний мозг; 4 — мозжечок; 5 — мост; 6 — продолговатый мозг; 7 — промежуточный мозг; 8 — конечный мозг деляется на собственно задний мозг, включающий мозжечок и варолиев мост, и продолговатый мозг. После формирования мозговых пузырей в структурах нервной системы происходят сложные процессы внутренней дифференциации и роста различных отделов головного и спинного мозга. Полушария быстро становятся самой боль- большой частью нервной системы, происходит выделение основ- основных долей, начинается образование борозд и извилин. В ткань мозга врастают кровеносные сосуды. В последние месяцы эмбрионального развития в нервной системе заканчивается формирование внутренней структуры мозга. Начинается активное образование миелиновых оболо- оболочек, которое завершается примерно к 10 годам. 2.3. ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ По топографическому принципу всю нервную систему де- делят на центральную и периферическую. Центральная нерв- нервная система включает головной и спинной мозг, защищен-
44 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ные мозговыми оболочками. Периферическая нервная сис- система — это нервы, нервные узлы, нервные сплетения и нервные окончания. Периферическую нервную систему человека составляют 12 пар черепных нервов, 31 пара спин- спинномозговых нервов, чувствительные и вегетативные ганг- ганглии, нервные сплетения. Нервные сплетения — это сово- совокупность нервных волокон от разных нервов, иннервирую- щих кожный покров, скелетные мышцы тела и внутренние органы. Кроме того, в нервное сплетение могут входить не- небольшие вегетативные ганглии. В зависимости от располо- расположения нервные сплетения делят на внутри- и внеорганные. Одно из наиболее известных сплетений — чревное (сол- (солнечное). По функциональному признаку нервная система подразде- подразделяется на соматическую и вегетативную. У каждой из них есть центральная (находящаяся в ЦНС) и периферическая (находя- (находящаяся за пределами ЦНС) части. Соматическая нервная сис- система регулирует работу скелетных мышц, осуществляя связь организма с внешней средой. С ее помощью мы можем произ- произвольно, по собственному желанию, управлять деятельностью скелетной мускулатуры. Вегетативная {автономная) нерв- нервная система регулирует работу внутренних органов. Она уп- управляет активностью гладкой и сердечной мускулатуры, а также желез, координируя их деятельность. Человек не мо- может сознательно управлять работой этой системы, т. е. она не- непроизвольная. 2.4. ОБОЛОЧКИ И ПОЛОСТИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Нервная система играет огромную роль в жизни организ- организма, и совершенно необходимо, чтобы она была надежно защи- защищена от внешних механических раздражителей. В связи с этим ЦНС находится в окружении костных структур. Голов- Головной мозг располагается внутри черепа, спинной — внутри по- позвоночного канала, они окружены тремя мозговыми оболоч- оболочками (рис. 2.3). Твердая оболочка — наружная, плотная и прочная, состо- состоит из двух слоев соединительной ткани: наружный срастается с надкостницей черепа (канала позвоночника), внутренний
2.4. ОБОЛОЧКИ И ПОЛОСТИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 45 образует плотный слой во- вокруг головного и спинного мозга. Эта оболочка дает вы- выросты между двумя больши- большими полушариями, между по- полушариями и мозжечком. Мягкая {сосудистая) обо- оболочка тесно связана с моз- мозгом; проникает во все борозды и щели и содержит кровенос- кровеносные сосуды; В некоторых мес- местах она врастает в желудочки мозга, образуя сосудистые сплетения. Паутинная оболочка — тонкая мембрана, отделяю- отделяющая твердую оболочку от мяг- мягкой. Это тонкий слой рыхлой соединительной ткани. Меж- Между паутинной и сосудистой оболочками расположено под- паутинное пространство, за- заполненное особой жидкос- жидкостью — ликвором, поступаю- поступающим туда из отверстий в чет- четвертом мозговом желудочке. Ликвор заполняет все полос- полости ЦНС. В процессе развития нервной системы канал нервной труб- трубки в передней ее части расширяется. Из задней, нерасширен- нерасширенной, части развивается в дальнейшем спинномозговой канал, а из передней — желудочки головного мозга. Диаметр спин- спинномозгового канала около 1 мм. В месте соединения спинного и головного мозга он переходит в четвертый мозговой желу- желудочек — полость заднего мозга. Сверху четвертый желудочек ограничен мозжечком. На границе продолговатого мозга и моста он расширяется и образует ромбовидную ямку — дно четвертого желудочка. Внутри среднего мозга четвертый желудочек переходит в мозговой водопровод — канал диаметром 1—2 мм и длиной около 1,5 см. Этот канал соединяет четвертый и третий желу- желудочки. Третий желудочек — полость промежуточного мозга. Он имеет щелевидную форму и спускается вниз — в гипотала- Рис. 2.3. Оболочки голов- головного мозга: / — твердая оболочка; 2 — паутинная оболочка; 3 — сосудистая оболочка; 4 — кожа; 5 — череп; 6 — под паутинное пространство; 7 — нервная ткань
46 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ мус и воронку гипофиза. Из третьего желудочка открываются межжелудочковые отверстия в боковые (правый и левый) же- желудочки (рис. 2.4). Первый и второй желудочки (боковые желудочки) — это полости в больших полушариях. Их центральная часть распо- расположена в теменной доле. От нее отходят три рога — передний (в лобную долю), задний (в затылочную долю) и нижний (в ви- височную долю). Как уже было отмечено, все полости мозга заполнены лик- вором, имеющим многочисленные функции. Мозг лежит как бы на «водяной подушке», поскольку ликвор окружает его, находясь в подпаутинном пространстве. Ликвор поддержива- поддерживает ионный баланс мозговой ткани, переносит биологически активные вещества, выделяемые в полость желудочков (меди- (медиаторы, гормоны, нейросекреты), удаляет продукты метабо- метаболизма. Таким образом сохраняется постоянство внутренней среды мозга. Ликвор выделяется в полость желудочков из сосудистых сплетений, образуемых сосудистой оболочкой (в основном в боковых желудочках). Далее жидкость перетекает в третий и четвертый желудочки и через отверстия в оболочках послед- последнего поступает в подпаутинное пространство, а оттуда — сно- снова в кровь. При нарушении такой циркуляции ликвора разви- развивается гидроцефалия (водянка мозга). Причиной могут быть родовые травмы, менингит (воспаление оболочек мозга), опу- опухоли мозга. Рис. 2.4. Полости цент- центральной нервной систе- системы: 1 — передний рог, 2 — центральная часть, 3 — задний рог бокового желудочка; 4 — ниж- нижний рог бокового желу- желудочка; 5 — третий желу- желудочек; 6 — мозговой во- водопровод; 7 — четвер- четвертый желудочек; 8 — спинномозговой канал
2.5. СПИННОЙ МОЗГ 47 2.5. СПИННОЙ МОЗГ Спинной мозг по внешнему виду представляет собой длин- длинный, цилиндрической формы, уплощенный спереди назад тяж, с узким центральным каналом внутри. Он располагается в позвоночном канале и на уровне ниж- нижнего края большого затылочного отверстия переходит в голов- головной мозг. Внизу спинной мозг заканчивается на уровне I—II поясничных позвонков сужением — мозговым конусом. От мозгового конуса тянется вниз концевая (терминальная) нить, которая в своих верхних отделах еще содержит нерв- нервную ткань, а ниже уровня II крестцового позвонка — это со- соединительнотканное образование, представляющее собой про- продолжение всех трех оболочек спинного мозга. Заканчивается терминальная нить на уровне тела II копчикового позвонка, срастаясь с его надкостницей. Терминальная нить окружена длинными корешками нижних спинномозговых нервов, кото- которые образуют в позвоночном канале пучок, получивший на- название конский хвост. Длина спинного мозга у взрослого человека в среднем 43 см (у мужчин — 45, у женщин 41—42 см), масса — около 34—38 г, что составляет примерно 2% массы головного мозга. В шейном и пояснично-крестцовом отделах спинного моз- мозга обнаруживаются два заметных утолщения — шейное и по- яснично-крестцовое. Образование утолщений объясняется скоплением в этих частях мозга большого количества нерв- нервных клеток и волокон, иннервирующих верхние и нижние ко- конечности. На передней поверхности спинного мозга видна передняя срединная щель. По срединной линии задней поверхности мозга проходит задняя срединная борозда. Передняя щель и задняя борозда являются границами, разделяющими спинной мозг на правую и левую симметричные половины. На передней поверхности спинного мозга с каждой сторо- стороны от срединной щели проходит передняя латеральная (боко- (боковая) борозда, которая является местом выхода из спинного мозга переднего (двигательного) корешка. Эта борозда служит также границей на поверхности спинного мозга между перед- передним и боковым канатиками. На задней поверхности спинного мозга, на каждой его половине, имеется задняя латеральная борозда, место вхождения в спинной мозг заднего (чувстви- (чувствительного) корешка. Эта борозда служит границей между боко- боковым и задним канатиками спинного мозга.
48 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Передние корешки спинномозговых нервов состоят из от- отростков двигательных (моторных) нервных клеток, располо- расположенных в переднем роге серого вещества спинного мозга. Задний корешок представлен совокупностью проникаю- проникающих в спинной мозг центральных отростков псевдоуниполяр- псевдоуниполярных (чувствительных) клеток, тела которых образуют спинно- спинномозговой узел, лежащий у места соединения заднего корешка с передним. На всем протяжении спинного мозга с каждой его стороны отходит 31 пара корешков спинномозговых нервов. Отрезок спинного мозга, соответствующий двум парам корешков спинномозговых нервов (два передних и два задних), называ- называют сегментом спинного мозга. Спинной мозг человека состоит из 31 сегмента. Различают 8 шейных, 12 грудных, 5 поясничных, 5 крестцовых и 1 коп- копчиковый сегменты спинного мозга. Протяженность спинного мозга значительно меньше длины позвоночного столба, поэто- поэтому порядковый номер сегмента спинного мозга и уровень их положения, начиная с нижнего шейного отдела, не соответст- соответствует порядковым номерам одноименных позвонков. Спинной мозг построен из серого и белого вещества. Серое вещество состоит из тел нервных клеток и нервных волокон — отростков нервных клеток. Белое вещество образовано толь- только нервными волокнами — отростками нервных клеток как самого спинного мозга, так и головного мозга. Серое вещество в спинном мозге занимает центральное положение. В центре серого вещества проходит центральный канал. Снаружи от се- серого вещества располагается белое вещество спинного мозга. В каждой половине спинного мозга серое вещество образу- образует серые столбы. Правый и левый серые столбы соединены поперечной пластинкой — серой спайкой, в центре которой видно отверстие центрального канала. Кпереди от централь- центрального канала находится передняя спайка спинного мозга, кзади — задняя спайка. На поперечном разрезе спинного моз- мозга серые столбы вместе с серой спайкой имеют форму буквы «Н» или бабочки с расправленными крыльями (рис. 2.5). Об- Образованные в стороны выступы серого вещества получили на- название рогов. Выделяют парные, более широкие передние рога и узкие, также парные задние рога. В передних рогах спинно- спинного мозга расположены крупные нервные клетки — двигатель- двигательные нейроны (мотонейроны). Их аксоны образуют основную часть волокон передних корешков спинномозговых нервов. Нейроны, расположенные в каждом переднем роге, образуют
2.5. СПИННОЙ МОЗГ 49 пять ядер: два медиальных и два латеральных, а также цент- центральное ядро. Отростки клеток этих ядер направляются к ске- скелетным мышцам. Задний рог состоит из вставочных нейронов, отростки ко- которых (аксоны) направляются в передний рог, а также перехо- переходят через переднюю белую спайку на противоположную сторо- сторону спинного мозга. На нервных клетках ядер задних рогов заканчиваются нервные волокна (чувствительные) задних корешков, являю- являющихся отростками нервных клеток, тела которых располага- 2 1 Рис. 2.5. Схема строения спинного мозга на поперечном разрезе: / — передняя срединная щель; 2 — передний ка- канатик; 3 — ядра (двигательные) переднего рога; 4 — перед- передний рог; 5 — боковой (латеральный) канатик; 6 — проме- промежуточно-латеральное (вегетативное, симпатическое) ядро; 7 — боковой рог; 8 — промежуточно-медиальное ядро; 9 — грудное ядро; 10 — собственное ядро заднего рога; 11 —задний рог; 12 — задний канатик; 13— тонкий пу- пучок; 14 — клиновидный пучок; 15 — задний спинно-моз- жечковый путь; 16 — корково-спинномозговой (пирамид- (пирамидный) латеральный путь; 17 — красноядерно-спинномозго- вой путь; 18 — спинно-таламический путь; 19 — спин- но-мозжечковый передний путь; 20 — ретикуло-спинно- мозговой путь; 21 — преддверно-спинномозговой путь; 22 — корково-спинномозговой (пирамидный) передний путь
50 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ются в спинномозговых узлах. Периферическая часть задних рогов перерабатывает и проводит болевые импульсы. Средняя связана с кожной (тактильной) чувствительностью. Зона в ос- основании заднего рога обеспечивает обработку и проведение мышечной чувствительности. Промежуточная зона серого вещества спинного мозга рас- расположена между передними и задними рогами. В этой зоне на протяжении от VIII шейного по II поясничный сегмент имеют- имеются выступы серого вещества — боковые рога. В боковых рогах находятся центры симпатической части вегетативной нервной системы в виде групп нервных клеток, объединенных в лате- латеральное (боковое) промежуточное вещество. Аксоны этих кле- клеток проходят через передний рог и выходят из спинного мозга в составе передних корешков спинномозговых нервов. Проме- Промежуточно-медиальное ядро (см. рис. 2.5) является основным «вычислительным центром» спинного мозга. Здесь обработан- обработанные в заднем роге сенсорные сигналы сопоставляются с сигнала- сигналами из головного мозга и принимается решение о запуске вегета- вегетативной или моторной реакции. В первом случае пусковые сти- стимулы направляются в боковой рог, во втором — в передний рог. В белом веществе выделяют три парных канатика. Перед- Передний канатик расположен между срединной щелью (медиаль- (медиальной) и передней латеральной бороздой (место выхода передних корешков). Задний канатик находится между задней средин- срединной и задней латеральной бороздами, боковой канатик — между передней и задней латеральными бороздами. Состоит белое вещество из нервных волокон, по которым нервные им- импульсы следуют или вверх, от спинного мозга к головному, или вниз — от головного к спинному. В глубине всех канати- канатиков, в непосредственной близости от серого вещества, лежат короткие межсегментарные нервные волокна, соединяющие соседние сегменты спинного мозга. Они выделяются в собст- собственный сегментарный аппарат спинного мозга. Волокна нейронов спинномозговых ганглиев, проникающие в спинной мозг в составе задних корешков, вступают в задний рог, часть волокон продолжает свой путь, входит в состав задних кана- канатиков и поднимается вверх, к головному мозгу. Они относятся к восходящим проводящим путям спинного мозга. Проводящие пути спинного мозга расположены кнаружи от его межсегментарных (собственных) пучков. По проводя- проводящим путям в восходящем направлении проходят импульсы от чувствительных и вставочных нейронов спинного мозга. В ни- нисходящем направлении импульсы следуют от нервных клеток
2.5. СПИННОЙ МОЗГ головного мозга к вставочным и двигательным нейронам спинного мозга. К восходящим путям спинного мозга относятся тонкий и клиновидный пучки, занимающие место в заднем канатике, а также задний и передний спинно-мозжечковые пути, боко- боковой спинно-таламический путь, располагающиеся в боковом канатике. Тонкий и клиновидный пучки располагаются в заднем ка- канатике. Они образованы нейритами чувствительных нейронов спинномозговых узлов. Эти пучки проводят нервные импуль- импульсы в продолговатый мозг от чувствительных окончаний (про- приорецепторов) мышц и суставов, а также кожи. Тонкий пу- пучок проводит импульсы от рецепторов нижних конечностей и нижней половины тела (до V грудного сегмента). Клиновид- Клиновидный пучок несет нервные импульсы от верхних конечностей и верхней половины тела. Задний спинно-мозжечковый путь лежит в задней части бокового канатика. Он берет начало от клеток ядра, которое находится в медиальной части основания заднего рога одно- одноименной стороны. Передний спинно-мозжечковый путь состоит из отростков вставочных нейронов промежуточно-медиального ядра, рас- расположенного с противоположной стороны серого вещества. Оба спинно-мозжечковые пути проводят проприоцептив- ные импульсы от скелетных мышц к мозжечку. Спинно-таламический путь находится также в боковом канатике и состоит из волокон вставочных нейронов заднего рога противоположной стороны. Путь проводит импульсы бо- болевой и температурной чувствительности к верхней части промежуточного мозга (таламусу). Нисходящие проводящие пути включают красноядерно- спинномозговой, латеральный корково-спинномозговой (пи- (пирамидный), расположенные в боковом канатике спинного мозга, а также занимающие место в переднем канатике перед- передний корково-спинномозговой (пирамидный), покрышечно- спинномозговой пути, преддверно-спинномозговой и др. Красноядерно-спинномозговой (руброспинальный) путь на- начинается от красного ядра среднего мозга, спускается в боко- боковом канатике противоположной стороны спинного мозга к вставочным нейронам промежуточно-медиального ядра. Этот путь связан с непроизвольными движениями конечностей (прежде всего сгибанием). Латеральный корково-спинномозговой (кортикоспиналь- ный, пирамидный) путь лежит в латеральном канатике кнут-
52 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ри от спинно-мозжечковых путей и состоит из аксонов клеток коры большого мозга полушария противоположной стороны. Путь постепенно истончается, так как в каждом сегменте спинного мозга часть его волокон заканчивается на нейронах промежуточно-медиального ядра и (около 8%) — на двига- двигательных клетках переднего рога. Путь проводит от коры про- произвольные двигательные импульсы. Передний корковоспинномозговой (кортикоспинальный, пирамидный) путь, как и латеральный, состоит из аксонов клеток коры полушария большого мозга, но лежит в переднем канатике спинного мозга. Нервные волокна этого пути оканчи- оканчиваются на клетках противоположной стороны, переходя туда в составе передней спайки спинного мозга. Этот путь имеет та- такую же функцию, что и латеральный корково-спинномозговой. Покрышечно-спинномозговой путь лежит также в перед- переднем канатике кнутри от переднего пирамидного пути. Начи- Начинается этот путь в верхних и нижних холмиках крыши сред- среднего мозга и заканчивается на клетках передних рогов. Он участвует в запуске ориентировочной реакции. Преддверно-спинномозговой (вестибулоспинальный) путь лежит в переднем канатике спинного мозга. Он идет от вести- вестибулярных ядер моста к передним рогам спинного мозга и про- проводит импульсы, обеспечивающие равновесие тела, в частнос- частности разгибание конечностей. Ретикуло-спинномозговой путь идет от ретикулярных ядер продолговатого мозга и моста. Связан с непроизвольны- непроизвольными движениями туловища и запуском локомоции (перемеще- (перемещений в пространстве), эволюционно самый древний. 2.6. ОБЩЕЕ СТРОЕНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА Головной мозг располагается в полости черепа. Мозг имеет сложную форму, которая соответствует рельефу свода черепа и черепных ямок. Верхне-боковые отделы головного мозга вы- выпуклые, основание уплощено и имеет неровности. В области ос- основания от головного мозга отходят 12 пар черепных нервов. Строение и функции мозга связаны с особенностями его развития. И головной, и спинной мозг развиваются из задней части наружного зародышевого листка — эктодермы, где об- образуется нервная трубка, расширяющаяся и утолщающаяся в головном отделе зародыша. В дальнейшем стенки мозговых пузырей в одних местах утолщаются, в других остаются тон-
2.6. ОБЩЕЕ СТРОЕНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА 53 кими и втягиваются внутрь вместе с прилежащими сосудами. В таких местах образуются сосудистые сплетения желудоч- желудочков мозга, продуцирующие спинномозговую жидкость. Полос- Полости мозговых пузырей преобразуются в желудочки мозга, а про- просвет нервной трубки — в центральный канал спинного мозга. В процессе дальнейшего развития мозга из каждого из пяти мозговых пузырей образуется соответствующий отдел мозга — продолговатый, задний, средний, промежуточный и конечный мозг. Задний мозг подразделяется на мост и мозжечок. Масса головного мозга у взрослого человека колеблется от 1100 до 2000 г. В среднем она равна у мужчин 1394 г, у жен- женщин — 1245 г. Эта разница обусловлена меньшей массой тела у женщин. У головного мозга выделяют мозговой ствол с моз- мозжечком и полушария большого мозга, которые накрывают ос- остальные части мозга спереди, сверху и с боков (рис. 2.6). По- Полушария отделены друг от друга продольной щелью большого Рис. 2.6. Медиальная поверхность головного мозга на сре- срединном разрезе: 1 — гипоталамус; 2 — полость третьего желудочка; 3 — передняя (белая) спайка; 4 — свод моз- мозга; 5 — мозолистое тело; 6 — межталамическое сраще- сращение; 7 — таламус; 8 — эпиталамус; 9 — средний мозг; 10 — мозг; 11 — мозжечок; 12 — продолговатый мозг
54 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ мозга. В глубине этой щели находится мозолистое тело, ко- которое соединяет оба полушария. Затылочные доли отделены от мозжечка поперечной щелью большого мозга. На верхнелатеральной, медиальной и нижней (базальной) поверхностях полушарий большого мозга видны борозды. Глубокие борозды разделяют полушария на доли (лобную, те- теменную, височную, затылочную), мелкие борозды отделяют более узкие участки — извилины. На нижней поверхности на- находятся выступающие вперед лобные доли, по бокам располо- расположены височные доли. В средней части между височными до- долями видна нижняя поверхность промежуточного, среднего, продолговатого мозга, переходящего в спинной мозг. По бо- бокам от моста и продолговатого мозга выступает нижняя по- поверхность полушарий мозжечка (рис. 2.7). На нижней поверхности (основании) головного мозга вид- видны следующие анатомические структуры: в обонятельных бо- бороздах лобных долей располагаются обонятельные луковицы, которые кзади переходят в обонятельные тракты и обонятель- обонятельные треугольники. К обонятельным луковицам подходят 15— 20 обонятельных нитей — I пара черепных нервов. Сзади от обонятельных треугольников с обеих сторон видно переднее продырявленное вещество, через которое в глубь мозга прохо- проходят кровеносные сосуды. Между обоими участками продыряв- продырявленного вещества расположен перекрест зрительных нер- нервов — II пара черепных нервов. Кзади от зрительного пере- перекреста находится серый бугор, переходящий в воронку, со- соединенную с гипофизом, а позади от серого бугра — 2 сосце- сосцевидных (мамиллярных) тела. Эти образования принадлежат промежуточному мозгу — гипоталамусу. За гипоталамусом следуют ножки мозга (средний мозг), а за ними в виде попе- поперечного валика мост мозга. Между ножками мозга открывает- открывается межножковая ямка, дно которой продырявлено — заднее продырявленное вещество. Лежащие по бокам от продыряв- продырявленного вещества ножки мозга соединяют мост с полушария- полушариями большого мозга. На внутренней поверхности каждой нож- ножки мозга возле переднего края моста выходит глазодвигатель- глазодвигательный нерв (III пара), а сбоку от ножки мозга — блоковой нерв (IV пара черепных нервов). От моста кзади и латерально рас- расходятся толстые средние ножки мозжечка. В месте выхода средней ножки из нижней поверхности моста виден тройнич- тройничный нерв (V пара). Кзади от моста расположен продолговатый мозг. Из поперечной борозды, отделяющей продолговатый мозг от моста, медиально выходит отводящий нерв (VI пара),
2.6. ОБЩЕЕ СТРОЕНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА 55 а латеральнее — лицевой нерв (VII пара) и преддверно-улитко- вый нерв (VIII пара черепных нервов). По бокам от срединной борозды продолговатого мозга видны продольные утолщения — пирамиды, а сбоку от каждой из них находится олива. Из бо- борозды позади оливы из продолговатого мозга выходят после- последовательно черепные нервы — языкоглоточный (IX пара), блуждающий (X пара), добавочный (XI пара), а из борозды между пирамидой и оливой — подъязычный нерв (XII пара черепных нервов). Рис. 2.7. Основание головного мозга и места выхода кореш- корешков черепных нервов: 1 — обонятельная луковица; 2 — обонятельный тракт; 3 — переднее продырявленное веще- вещество; 4 — серый бугор; 5 — зрительный тракт; 6 — сосце- сосцевидные тела; 7 — тройничный узел; 8 — заднее продыряв- продырявленное вещество; 9 — мост; 10 — мозжечок; 11 — пирами- пирамида; 12 — олива; 13 — спинномозговой нерв; 14 — подъязычный нерв; 15 — добавочный нерв; 16 — блуждаю- блуждающий нерв; 17— языкоглоточный нерв; 18— преддвер- но-улитковый нерв; 19 — лицевой нерв; 20 — отводящий нерв; 21 — тройничный нерв; 22 — блоковой нерв; 23 — глазодвигательный нерв; 24 — зрительный нерв; 25 — обо- обонятельная борозда
56 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 2.7. ПРОДОЛГОВАТЫЙ МОЗГ Продолговатый мозг является непосредственным продол- продолжением спинного мозга. Нижней его границей считают место выхода корешков первого шейного спинномозгового нерва или перекрест пирамид, верхней границей является задний край моста. Длина продолговатого мозга около 25 мм, форма его при- приближается к усеченному конусу, обращенному основанием вверх. Переднюю поверхность продолговатого мозга разделя- разделяет передняя срединная щель, по бокам которой располагаются пирамиды. Пирамиды образованы пучками нервных волокон пирамидных проводящих путей. Волокна пирамидных путей соединяют кору большого мозга с ядрами черепных нервов и серым веществом спинного мозга. Сбоку от пирамиды с каж- каждой стороны располагается олива, отделенная от пирамиды пе- передней латеральной бороздой. Задняя поверхность продолговатого мозга разделена за- задней срединной бороздой. По бокам от борозды расположены продолжения задних канатиков спинного мозга, которые кверху расходятся и переходят в нижние мозжечковые нож- ножки, они ограничивают снизу ромбовидную ямку. На клино- клиновидном и тонком пучках заднего канатика вблизи нижнего уг- угла ромбовидной ямки видны бугорки, содержащие ядра: кли- клиновидное (латеральнее) и тонкое (медиальнее). Продолговатый мозг построен из белого и серого вещества. Серое вещество продолговатого мозга представлено ядрами IX, X, XI, XII пар черепных нервов, олив, ретикулярной фор- формации. Белое вещество образовано нервными волокнами, состав- составляющими соответствующие проводящие пути. Двигательные проводящие пути (нисходящие) располагаются в передних от- отделах продолговатого мозга, чувствительные (восходящие) ле- лежат более дорзально (сзади). Ядро оливы выполняет двига- двигательную функцию и связано с мозжечком. Ретикулярная формация представляет собой совокуп- совокупность клеток, клеточных скоплений и нервных волокон, обра- образующих сеть, расположенную в стволе мозга (продолговатый мозг, мост и средний мозг). Ретикулярная формация связана со всеми органами чувств, двигательными и чувствительными областями коры большого мозга, таламусом и гипоталамусом, спинным мозгом. Она регулирует уровень возбудимости и то- тонуса различных отделов нервной системы, включая кору по-
2.8. МОСТ 57 лушарий большого мозга, участвует в регуляции сна и бодрст- бодрствования, вегетативных функций, движений. Выше продолговатого мозга располагается мост, а кзади от него находится мозжечок. 2.8. МОСТ Мост (Варолиев мост) имеет вид лежащего поперечно утолщенного валика, от латеральной стороны которого справа и слева отходят средние мозжечковые ножки. Задняя поверх- поверхность моста, прикрытая мозжечком, как и задняя поверх- поверхность продолговатого мозга, участвует в образовании ромбо- ромбовидной ямки. Передняя поверхность внизу образует четкую границу с продолговатым мозгом, а вверху мост граничит с ножками мозга. Передняя поверхность моста поперечно ис- исчерчена в связи с поперечным направлением волокон, кото- которые идут от собственных ядер моста в средние мозжечковые ножки и дальше — в мозжечок. На передней поверхности мос- моста по средней линии расположена продольная базилярная бо- борозда, в которой лежит одноименная артерия. На фронталь- фронтальном разрезе через мост видны две его части: передняя (основ- (основная, базилярная) и задняя (покрышка). В покрышке располагается ретикулярная формация, зале- залегают ядра V, VI, VII, VIII пар черепных нервов, проходят вос- восходящие проводящие пути. Передняя (базилярная) часть моста состоит из нервных во- волокон, образующих проводящие пути, среди которых нахо- находятся ядра. Проводящие пути базилярной части связывают кору большого мозга со спинным мозгом, с двигательными яд- ядрами черепных нервов и с корой полушарий мозжечка. Меж- Между нервными волокнами проводящих путей залегают собст- собственные ядра моста. На границе между обеими частями моста лежит трапециевидное тело, образованное поперечно идущи- идущими волокнами проводящего пути слухового анализатора. Задняя поверхность моста и продолговатого мозга служит дном четвертого желудочка, который по своему происхожде- происхождению является полостью ромбовидного мозга (заднего мозгово- мозгового пузыря). Четвертый желудочек книзу продолжается в уз- узкий центральный канал спинного мозга, а кверху — в водо- водопровод мозга — узкую полость среднего мозга. Дно четвертого желудочка благодаря своей форме называется ромбовидной ям- ямкой. Верхние стороны ямки ограничивают верхние мозжечко-
58 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ вые ножки, а нижние стороны образованы нижними мозжеч- мозжечковыми ножками. Срединная борозда делит дно ромбовидной ямки на две симметричные половины. По обеим сторонам бо- борозды видны медиальные возвышения, имеющие в середине ямки правый и левый лицевые бугорки. В толще лицевого бу- бугорка залегает ядро VI пары черепных нервов (отводящего не- нерва), а в глубине и чуть латеральнее лежит ядро VII пары (ли- (лицевого нерва). Внизу, уже в области продолговатого мозга, ме- медиальное возвышение переходит в треугольник подъязычного нерва, латеральнее которого находится треугольник блуж- блуждающего нерва. В треугольниках, в толще вещества мозга за- залегают ядра одноименных нервов. Боковые отделы ромбовид- ромбовидной ямки получили название вестибулярных полей, так как в их толще лежат слуховые и вестибулярные ядра преддвер- но-улиткового нерва (VIII пара черепных нервов). От слухо- слуховых ядер отходят к срединной борозде поперечные мозговые полоски, располагающиеся на границе между продолговатым мозгом и мостом и являющиеся волокнами проводящего пути слухового анализатора. В толще ромбовидной ямки залегают ядра V, VI, VII, VIII, IX, X, XI, XII пар черепных нервов. Чувствительные ядра че- черепных нервов располагаются латерально. Медиальнее их ле- лежат вегетативные ядра, а наиболее медиально — двигатель- двигательные. Чтобы понять, как расположены ядра в толще ромбовид- ромбовидной ямки, нужно учитывать, что замкнутая нервная трубка при переходе от спинного в продолговатый мозг раскрылась на своей дорзальной стороне и развернулась, образовав ромбо- ромбовидную ямку. Впоследствии эти задние (чувствительные) рога спинного мозга, связанные с обработкой сенсорной информа- информации, как бы разошлись в стороны. Заложенные в задних рогах вставочные нейроны чувствительных ядер расположились в ромбовидной ямке латерально, а соответствующие передним рогам двигательные нейроны (двигательные ядра) остались лежать медиально. Что касается вегетативных ядер, заложен- заложенных в боковых рогах спинного мозга, то, соответственно поло- положению боковых рогов между задними и передними, эти ядра при развертывании нервной трубки оказались лежать в веще- веществе ромбовидной ямки между чувствительными и вегетатив- вегетативными ядрами. Тройничный нерв (V пара) имеет четыре ядра, в том числе двигательное и чувствительные (мостовое ядро, ядро средне- мозгового пути и ядро спинномозгового пути тройничного не- нерва). Отводящий нерв (VI пара) имеет только одно двигатель-
2.8. МОСТ 59 ное ядро. У лицевого нерва (VII пара) три ядра: двигательное ядро, чувствительное ядро одиночного пути и парасимпатиче- парасимпатическое — верхнее слюноотделительное ядро. Преддверно-улит- ковый нерв (VIII пара) имеет две группы ядер: два слуховых улитковых (переднее и заднее) и четыре вестибулярных: меди- медиальное, латеральное, верхнее и нижнее. Языкоглоточный нерв (IX пара) имеет три ядра: двигательное двойное, общее для IX и X пар, чувствительное ядро одиночного пути (общее для VII, IX, X пар) и парасимпатическое — нижнее слюноотделитель- слюноотделительное. У блуждающего нерва (X пары) три ядра: двигательное двойное (общее с IX парой) и чувствительное, а также парасим- парасимпатическое — заднее ядро блуждающего нерва. Добавочный нерв (XI пара) имеет только двигательное ядро. У подъязычного нерва (XII пары) тоже одно двигательное ядро. Крыша четвертого желудочка вверху образована верхним мозговым парусом, натянутым между верхними мозжечковы- мозжечковыми ножками. Задне-нижняя часть крыши образуется нижним мозговым парусом, который прикрепляется к дольке мозжеч- мозжечка, а также сосудистой основой четвертого желудочка, попол- пополняющей нижний мозговой парус. Паруса, соединяясь вверху, образуют угол (купол, шатер), который вдается в мозжечок. Через три отверстия в крыше полость четвертого желудочка сообщается с подпаутинным пространством: срединное сзади и два по бокам, из которых спинномозговая жидкость оттека- оттекает из четвертого желудочка в подпаутинное (подоболочечное) пространство. В толще сосудистой основы четвертого желу- желудочка имеется его сосудистое сплетение, продуцирующее спинномозговую жидкость. Над четвертым желудочком, яв- являющимся по существу полостью моста и продолговатого моз- мозга (ромбовидного мозга — в эмбриогенезе), находится мозже- мозжечок, или, как его называют, «малый мозг». Продолговатый мозг и мост выполняют важнейшие функ- функции. В чувствительные ядра черепных нервов, расположен- расположенные в этих отделах мозга, поступают нервные импульсы от ко- кожи головы, слизистых оболочек рта и полости носа, глотки и гортани, от органов пищеварения и дыхания, от органа слуха, вестибулярного аппарата, сердца и сосудов. По аксонам кле- клеток двигательных и вегетативных (парасимпатических) ядер продолговатого мозга и моста импульсы следуют не только к скелетным мышцам головы (жевательным, мимическим, язы- языка и глотки), но и к гладкой мускулатуре органов пищева- пищеварения, дыхания (бронхи) и сердечно-сосудистой системы, к слюнным и другим железам.
60 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Через ядра продолговатого мозга выполняются многие рефлекторные акты, в том числе защитные (кашель, мигание, слезоотделение, чихание). Нервные центры (ядра) продолго- продолговатого мозга участвуют в рефлекторных актах глотания, сек- секреторной функции пищеварительных желез. Вестибулярные (преддверные) ядра, в которых берет начало преддверно-спин- номозговой путь, выполняют сложнорефлекторные акты пе- перераспределения тонуса скелетных мышц, равновесия, обес- обеспечивают «позу стояния». Эти рефлексы получили название установочных рефлексов. Расположенные в продолговатом мозге важнейшие дыхательный и сосудодвигательный (сер- (сердечно-сосудистый) центры участвуют в регуляции функции дыхания (вентиляции легких), деятельности сердца и сосу- сосудов; повреждение их приводит к смерти. В ретикулярных ядрах продолговатого мозга и моста нахо- находятся центры сна и бодрствования, а также двигательные центры, образующие спинно-ретикулярный тракт. В верхней части ромбовидной ямки находится область, называемая «го- «голубое пятно». 2.9. МОЗЖЕЧОК Мозжечок выполняет функции управления движениями — как целенаправленными произвольными, так и быстрыми автоматизированными — регуляция позы, локомоции, мы- мышечного тонуса, поддержание равновесия тела. У мозжечка различают два выпуклых полушария и червь — непарную срединную часть. Поверхности полушарий и червя разделяют поперечные параллельные борозды, {щели), между которыми расположены узкие и длинные листки мозжечка. Благодаря этому его поверхность у взрослого человека составляет в сред- среднем 850 см2. У мозжечка различают верхнюю и нижнюю по- поверхности, между которыми по заднему краю проходит глу- глубокая горизонтальная щель. В боковых отделах горизонталь- горизонтальная щель берет начало у места вхождения в мозжечок его средних ножек. Группы листков, разделенные глубокими бо- бороздами, образуют дольки мозжечка. Поскольку борозды моз- мозжечка сплошные и переходят с червя на полушария, каждая долька червя связана с правой и левой стороны с дольками по- полушарий. На разрезе мозжечок состоит из серого и белого ве- вещества. Серое вещество (кора мозжечка) находится на по-
2.9. МОЗЖЕЧОК верхности и тонким слоем A—2,5 мм) покрывает белое веще- вещество. Белое вещество находится внутри мозжечка. У коры мозжечка три слоя: наружный — молекулярный, средний — ганглионарный {слой грушевидных нейронов) и внутренний — зернистый. В молекулярном и зернистом сло- слоях залегают в основном мелкие нейроны. Крупные грушевид- грушевидные нейроны (клетки Пуркинье), размерами до 40 мкм, распо- располагаются в среднем слое в один ряд. Это эфферентные нейро- нейроны коры мозжечка. Их аксоны направляются к нейронам ядер мозжечка, а дендриты располагаются в поверхностном молекулярном слое. Остальные нейроны коры мозжечка яв- являются вставочными, ассоциативными, которые передают им- импульсы грушевидным нейронам. В толще белого вещества мозжечка имеются скопления серого вещества — парные яд- ядра. Самое крупное, зубчатое ядро расположено в пределах по- полушария мозжечка и получает сигналы от клеток Пуркинье новой коры мозжечка. Медиальнее зубчатого ядра лежит пробковидное, еще медиальнее — шаровидное, которые объ- объединяют в промежуточное ядро мозжечка, получающее про- проекции от его старой коры. Наиболее медиально находится яд- ядро шатра, связанное с клетками Пуркинье древней коры моз- мозжечка. Афферентные и эфферентные волокна, связывающие моз- мозжечок с другими отделами мозга, образуют три пары мозжеч- мозжечковых ножек. Нижние ножки соединяют мозжечок с продол- продолговатым мозгом, средние — с мостом, верхние — со средним мозгом. К мозжечку направляются восходящие (чувствительные) проводящие пути, по которым идут импульсы от мышц, сухо- сухожилий, капсул суставов, связок (спинно-мозжечковые пути, а также волокна от чувствительных ядер тройничного нерва). В мозжечок приходят также импульсы от вестибулярных ядер, из коры полушарий большого мозга (через собственные ядра моста), а также из олив. Из мозжечка выходят пучки нервных волокон ко многим отделам ЦНС. Имея обширные нервные связи с различными отделами мозга, мозжечок участвует в регуляции движений, делает их плавными, точными, целенаправленными. При этом древняя кора и ядра шатра связаны с поддержа- поддержанием равновесия; старая кора и промежуточные ядра — со сгибанием и разгибанием конечностей и локомоцией; новая кора и зубчатые ядра — с тонкими движениями кисти и паль- пальцев. При повторении движений все эти зоны способны запо-
62 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ минать их параметры. В результате движения, исходно осу- осуществляемые как произвольные и требующие контроля коры больших полушарий, превращаются в автоматизированные, идущие в основном под контролем мозжечка (двигательное обучение). При повреждении мозжечка, выпадении его функции на- нарушается распределение тонуса мышц — сгибателей и разги- разгибателей; движения становятся несоразмерными, резкими, размашистыми. Нарушается анализ сигналов от рецепторов мышц и сухожилий, страдают вегетативные функции органов сердечно-сосудистой системы, пищеварительных и других ор- органов. Выше и кпереди от заднего мозга (моста и мозжечка) на границе его со средним мозгом находится перешеек ромбовид- ромбовидного мозга, который образован верхними мозжечковыми нож- ножками, верхним мозговым парусом и треугольником, петли. Верхний мозговой парус представляет собой тонкую пластин- пластинку, расположенную между мозжечком сверху и верхними мозжечковыми ножками по бокам. Эти мозжечковые ножки вместе с парусом формируют передне-верхнюю часть крыши четвертого желудочка мозга. Треугольник петли ограничен спереди ручкой нижнего холмика, сверху и сзади — верхней мозжечковой ножкой, сбоку — латеральной бороздкой, имею- имеющейся на наружной поверхности ножки мозга. В толще тре- треугольника петли проходит проводящий путь органа слуха. 2.10. СРЕДНИЙ МОЗГ Средний мозг занимает место выше моста и перешейка ромбовидного мозга. К среднему мозгу относятся ножки моз- мозга, а также крыша среднего мозга. Ножки мозга — это белые округлые, довольно толстые тя- тяжи, выходящие из моста и направляющиеся вперед и вверх к полушариям большого мозга. Между ножками мозга снизу расположена межножковая ямка, на дне которой видно зад- заднее продырявленное вещество. На медиальной поверхности каждой ножки выходит глазодвигательный нерв (III пара че- черепных нервов). Каждая ножка состоит из покрышки и осно- основания, границей между ними является черное вещество (чер- (черная субстанция). Цвет этого вещества зависит от наличия пиг- пигмента меланина в его нервных клетках. Основание ножки мозга образовано нервными волокнами двигательных пира-
2.10. СРЕДНИЙ МОЗГ 63 мидных путей, идущими от коры большого мозга к двигатель- двигательным ядрам моста продолговатого и спинного мозга. Покрышка ножек мозга содержит восходящие (чувствительные) проводя- проводящие пути, направляющиеся к таламусу, а также скопления серого вещества — крупные и мелкие ядра. Самыми крупны- крупными являются красные ядра, от них начинается двигательный красноядерно-спинномозговой (руброспинальный) путь. Кро- Кроме того, в покрышке располагаются ретикулярная формация и ядро дорзального продольного пучка (промежуточное ядро). В крыше среднего мозга различают пластинку крыши (четверохолмие), состоящую из четырех возвышений — хол- холмиков. Два верхних холмика содержат подкорковые центры зрительного анализатора, а два нижних являются подкорко- подкорковыми центрами слухового анализатора. В углублении между верхними холмиками лежит шишковидное тело, относящееся к промежуточному мозгу и являющееся железой внутренней секреции. От каждого холмика по сторонам к промежуточно- промежуточному мозгу отходят ручки. Ручка верхнего холмика направляет- направляется к латеральному коленчатому телу метаталамуса, ручка нижнего холмика идет к медиальному коленчатому телу. Полостью среднего мозга является водопровод мозга — уз- узкий канал, который соединяет третий и четвертый желудочки мозга. Сверху над водопроводом лежит пластинка крыши среднего мозга, дном служит покрышка ножек мозга. Длина водопровода около 1,5 см. Вокруг водопровода располагается центральное серое вещество, в котором заложены двигатель- двигательные ядра III и IV пар черепных нервов, ретикулярная форма- формация, непарное срединное (межножковое) ядро и ядро средне- мозгового пути тройничного нерва. Ядра III нерва располагаются под верхними холмиками четверохолмия; ядра IV нерва — под нижними холмиками. IV нерв является единственным черепным нервом, выходя- выходящим на задней поверхности мозга (под нижними холмиками). Чувствительные, двигательные и вегетативные ядра сред- среднего мозга участвуют в важнейших рефлекторных актах. Яд- Ядра верхних и нижних холмиков являются центрами запуска различного рода движений, возникающих под влиянием зри- зрительных и слуховых импульсов. От ядер этих холмиков берет начало проводящий путь, заканчивающийся на клетках пе- передних рогов спинного мозга. К ядрам верхних холмиков приходят чувствительные им- импульсы от сетчатки глаза. Ответная (рефлекторная) реакция формируется в виде ориентировочного рефлекса — поворота
64 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ глаз и головы к свету. В зависимости от яркости света изменя- изменяются величина зрачка и кривизна хрусталика. Аккомодация (приспособляемость) глаза способствует ясному видению предметов. К ядрам нижних холмиков направляются чувстви- чувствительные импульсы от органов слуха. Ответная реакция за- заключается в повороте головы, глаз в сторону звуков. Красное ядро состоит из двух частей: передней — мелко- мелкоклеточной и задней — крупноклеточной. Передняя часть обеспечивает связи между корой больших полушарий, оливой и мозжечком, которые необходимы для реализации двига- двигательного обучения. Задняя часть работает в основном под управлением промежуточного ядра мозжечка и связана с ре- регуляцией мышечного тонуса и движений конечностей (сгиба- (сгибание). Именно отсюда начинается красноядерно-спинномозго- вой путь. Черная субстанция состоит из латеральной (ретикуляр- (ретикулярной) и медиальной (компактной) частей. Нейроны компакт- компактной части содержат в качестве медиатора дофамин; их аксоны направляются вперед к базальным ядрам (ганглиям) больших полушарий. Ретикулярная часть участвует в управлении дви- движениями глаз. 2.11. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ МОЗГ Промежуточный мозг расположен выше среднего мозга, под мозолистым телом. Он состоит из таламуса, эпиталамуса, метаталамуса, субталамуса и гипоталамуса. Таламус (зрительный бугор) — парный, яйцевидной фор- формы, образован главным образом серым веществом. Таламус яв- является подкорковым центром видов общей чувствительности (болевой, температурной, тактильной). Медиальная и дорзаль- ная поверхности таламуса свободны, поэтому хорошо видны на разрезе мозга. Передняя (нижняя) поверхность таламуса сра- сращена с гипоталамусом, латеральная — прилежит к внутрен- внутренней капсуле. Передний конец {передний бугорок) таламуса за- заострен, задний (подушка) закруглен. Медиальная поверх- поверхность правого и левого таламусов, обращенные друг к другу, образуют боковые стенки полости промежуточного мозга — третьего желудочка, они соединены между собой межталами- ческим сращением. Часть промежуточного мозга, располо- расположенная ниже таламуса и отделенная от него гипоталамиче- ской бороздой, составляет субталамус. Сюда продолжаются
2.11. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ МОЗГ 65 покрышки ножек мозга, здесь заканчиваются красные ядра и черное вещество среднего мозга. Эпиталамус включает шишковидное тело, поводки и треугольники поводков. Шишковидное тело (эпифиз) являет- является железой внутренней секреции. Он как бы подвешен на двух поводках, соединенных между собой спайкой, и связан с тала- мусом посредством треугольников поводков. Метаталамус образован парными медиальным и лате- латеральным коленчатыми телами, лежащими позади каждого таламуса. Медиальное коленчатое тело находится позади подушки таламуса, оно является наряду с нижними холмика- холмиками пластинки крыши среднего мозга (четверохолмия) подкор- подкорковым центром слухового анализатора. Латеральное колен- коленчатое тело расположено книзу от подушки, оно вместе с верхними холмиками пластинки крыши является подкорко- подкорковым центром зрительного анализатора. Ядра коленчатых тел связаны проводящими путями с кор- корковыми центрами зрительного и слухового анализаторов. Гипоталамус, представляющий собой вентральную часть промежуточного мозга, располагается кпереди ножек мозга. Он включает ряд структур, которые имеют различное стро- строение: сосцевидные тела, серый бугор, зрительный перекрест. Сосцевидные тела располагаются кпереди от заднего про- продырявленного вещества среднего мозга и образованы серым веществом, покрытым тонким слоем белого вещества. Между сосцевидными телами сзади и зрительным перекрестом спере- спереди находится серый бугор, который по бокам ограничен зри- зрительными трактами. Серый бугор представляет собой тон- тонкую пластинку серого вещества на дне третьего желудочка, которая вытянута книзу и кпереди и образует воронку. Конец воронки переходит в гипофиз — железу внутренней секреции, расположенную в гипофизарнои ямке костного турецкого сед- седла. Зрительный перекрест, находящийся впереди серого буг- бугра, продолжается кпереди в зрительные нервы, кзади и ла- терально — в зрительные тракты, которые достигают право- правого и левого латеральных коленчатых тел. В сером веществе гипоталамуса располагаются скопления нервных клеток. Эти скопления получили название ядер. В пе- передней области гипоталамуса находятся супраоптическое {надзрительное) и паравентрикулярное {околожелудочко- {околожелудочковое) ядра. В задней части гипоталамуса наиболее крупными ядрами являются медиальное и латеральное ядра в каждом сосцевидном теле, заднее гипоталамическое ядро. В сером
.66 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ бугре и околобугристой области располагаются серобугорные ядра, ядро воронки и другие. Ядра гипоталамуса имеют слож- сложную систему связей с другими отделами мозга и с гипофизом, через которые гипоталамус влияет на многие вегетативные функции организма. Гипоталамус является также центром регуляции эндокринных функций, он объединяет нервные и эндокринные регуляторные механизмы в общую нейроэндок- ринную систему, координирует нервные и гормональные ме- механизмы функций внутренних органов. В гипоталамусе имеются нейроны обычного типа и нейро- секреторные клетки, они трансформируют нервный импульс в нейрогормональный. Гипоталамус образует с гипофизом единый функциональный комплекс — гипоталамо-гипофи- зарную систему, в которой гипоталамус играет регулирую- регулирующую роль, а в гипофизе — эффекторную. Таким образом, гипоталамус является связующим звеном между нервной системой и эндокринным аппаратом. В среднем гипоталамусе залегают нейроны, которые восп- воспринимают все изменения, происходящие в крови и спинно- спинномозговой жидкости (температуру, солевой состав, наличие гормонов). Задняя область гипоталамуса функционально свя- связана с терморегуляцией и оборонительным поведением (лате- (латеральные и медиальные ядра сосцевидных тел, заднее гипота- ламическое ядро). В других частях гипоталамуса расположе- расположены центры, связанные с половым, родительским, пищевым и другими типами поведения. В нейронном отношении ядра гипоталамуса составляют переднюю (верхнюю) часть ретикулярной формации ствола мозга. Третий желудочек — полость промежуточного мозга — представляет собой узкое, расположенное в сагиттальной плоскости щелевидное пространство, ограниченное с боков медиальными поверхностями таламусов. Нижнюю стенку третьего желудочка образует гипоталамус, спереди находятся столбы свода, передняя (белая) спайка, сзади — задняя (эпи- таламическая) спайка. Верхнюю стенку желудочка составля- составляет сосудистая основа третьего желудочка, в которой залегает его сосудистое сплетение. Над сосудистой основой располага- располагается свод мозга, а над ним лежит мозолистое тело (большая спайка мозга). Полость третьего желудочка кзади переходит в водопровод среднего мозга, а спереди по бокам через меж- межжелудочковые отверстия он сообщается с боковыми желудоч- желудочками.
2.11. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ МОЗГ 67 Крупнейшим чувствительным центром промежуточного мозга является таламус. К нему и далее через него к коре большого мозга идут все сенсорные проводящие пути, кроме обонятельных. Вентральные латеральные ядра таламуса являются дви- двигательными центрами, проводящими к коре сигналы от моз- мозжечка (зубчатых ядер) и базальных ганглиев. Передние ядра таламуса связаны с системой памяти и эмоций. Подушка яв- является зрительным центром. Медиальные ядра таламуса связаны с регуляцией уровня бодрствования. Дорзальные ядра — с функцией внимания («фильтрацией» сенсорных по- потоков). При поражении таламуса появляются сильные головные боли, нарушается сон и усиливается или уменьшается общая чувствительность, движения становятся несоразмерными, не очень точными. В гипоталамусе, являющемся высшим подкорковым цент- центром вегетативной нервной системы, расположены ядра, обеспе- обеспечивающие постоянство внутренней среды организма, регуля- регуляции белкового, углеводного, жирового и водно-солевого обме- обмена, терморегуляции (теплового режима). В передних отделах гипоталамуса расположены парасимпатические центры, раз- раздражение которых вызывает усиление моторики кишки, сек- секреции желез органов пищеварения, замедление сокращений сердца. В задних отделах гипоталамуса находятся симпатиче- симпатические центры, при активации которых учащается и усиливает- усиливается сердцебиение, суживаются кровеносные сосуды, повышает- повышается температура тела. В промежуточном мозге и других отделах ствола мозга вы- выделяют ретикулярную формацию — скопления нейронов (мел- (мелкие и крупные ядра) и отдельные нервные клетки с их много- многочисленными связями между собой и с другими нервными центрами головного и спинного мозга. Нервные импульсы, идущие к коре большого мозга по экстероцептивным (от внешних покровов тела), проприоцептивным (от органов опорно-двигательного аппарата) и интероцептивным (от внут- внутренних органов, сосудов) проводящим путям, имеют в стволе мозга ответвления к клеткам ретикулярной формации. Эти импульсы поддерживают структуры ретикулярной формации в постоянном тоническом возбуждении. От нервных клеток ретикулярной формации к коре больших полушарий, подкор- подкорковым ядрам и в спинной мозг также идут проводящие пути. По этим неспецифическим проводящим путям ретикулярная
68 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ формация влияет на многие центры головного и спинного моз- мозга, усиливая или тормозя их функции. На кору полушарий большого мозга ретикулярная формация оказывает активи- активирующее действие, поддерживая ее в состоянии бодрствования. Кора в свою очередь регулирует функции, активность ретику- ретикулярной формации. 2.12. КОНЕЧНЫЙ МОЗГ Конечный мозг (большой мозг) состоит из правого и левого полушарий большого мозга и соединяющих их волокон, обра- образующих мозолистое тело и другие спайки. Под мозолистым телом располагается свод в виде двух изогнутых тяжей, соеди- соединенных между собой спайкой в их средней части. Передняя часть свода, направленная вниз, образует столбы. Задняя уп- уплощенная и расходящаяся в стороны часть получила название ножек свода. Кпереди от стволов свода находится поперечно расположенный пучок волокон — передняя (белая) спайка. Впереди свода в сагиттальной плоскости располагается прозрачная перегородка, состоящая из двух параллельных пластинок серого вещества. Впереди и вверху эти пластин- пластинки соединяются с передней частью мозолистого тела. Между пластинками находится узкая щелевидная полость, содер- содержащая небольшое количество жидкости. Каждая пластинка образует медиальную стенку переднего рога бокового желу- желудочка. Каждое полушарие большого мозга образовано серым и бе- белым веществом. Периферическая часть полушария, покрытая бороздами и извилинами, образует плащ, покрытый тонкой пластинкой серого вещества — корой большого мозга. Площадь поверхности коры составляет около 220 см2. Под корой боль- больших полушарий находится белое вещество, в глубине которо- которого имеются крупные скопления серого вещества — подкорко- подкорковые ядра (базальные узлы). Полостями полушарий большого мозга являются боковые желудочки. В каждом полушарии выделяют три поверхности — верх- верхнелатеральную (выпуклую), медиальную (плоскую), обращен- обращенную к соседнему полушарию, и нижнюю, имеющую сложный рельеф, соответствующий неровностям внутреннего основа- основания черепа. На поверхностях полушарий видны многочислен- многочисленные углубления — борозды и разнонаправленные возвышения между бороздами — извилины. Форма, размеры и ориентация
2.12. КОНЕЧНЫЙ МОЗГ 69 борозд и извилин имеют значительную индивидуальную вари- вариабельность. В то же время наиболее крупные борозды и изви- извилины отличаются постоянством своей ориентации. У каждого полушария выделяют пять долей: лобную, теменную, заты- затылочную, височную и островковую (островок). Эти доли отделе- отделены друг от друга глубокими бороздами. Центральная борозда (Роландова) отделяет лобную долю от теменной, латеральная борозда (Сильвиева) — височную от лобной и теменной, те- менно-затылочная борозда разделяет теменную и затылоч- затылочную доли (рис. 2.8). В глубине латеральной борозды распола- располагается островковая доля. Более мелкие борозды делят доли на извилины. В лобной доле впереди и параллельно центральной борозде проходит прецентральная борозда, которая отделяет пре- 12 10 Рис. 2.8. Верхне-боковая поверхность полушария большого мозга: 1 — центральная борозда; 2 — прецентральная из- извилина; 3 — верхняя лобная извилина; 4 — средняя лоб- лобная извилина; 5 — нижняя лобная извилина; 6 — лате- латеральная борозда; 7 — верхняя височная извилина; 8 — средняя височная извилина; 9 — нижняя височная извили- извилина; 10 — мост; 11 — продолговатый мозг; 12 — мозжечок; 13— затылочная доля; 14— нижняя теменная долька; 15 — верхняя теменная долька; 16 — постцентральная из- извилина
70 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ центральную извилину. От прецентральной борозды более или менее горизонтально проходят вперед две борозды, раз- разделяющие верхнюю, среднюю и нижнюю лобные извилины. В теменной доле постцентральная борозда отделяет одно- одноименную извилину. Горизонтальная внутритеменная бороз- борозда разделяет верхнюю и нижнюю теменные дольки. В заты- затылочной доле имеется несколько извилин и борозд, из которых наиболее постоянной является поперечная затылочная бороз- борозда. У височной доли две продольные борозды — верхняя и нижняя отделяют три височные извилины: верхнюю, среднюю и нижнюю. Островковая доля в глубине латеральной борозды отделена глубокой круговой бороздой островка от соседних отделов полушария. В образовании медиальной поверхности полушария боль- большого мозга принимают участие все доли его, кроме височной и островковой. Длинная дугообразной формы борозда мозолис- мозолистого тела отделяет его от поясной извилины. Над поясной извилиной проходит поясная борозда, которая начинается кпереди и книзу от клюва мозолистого тела, поднимается вверх, поворачивается назад, вдоль борозды мозолистого тела. Кзади и книзу поясная извилина переходит в парагиппокам- парагиппокампальную извилину, которая уходит вниз и впереди заканчива- заканчивается крючком, сверху парагиппокампальная извилина ограни- ограничена бороздой гиппокампа. Поясную извилину, ее перешеек и парагиппокампальную извилину объединяют под названием сводчатой извилины. В глубине борозды гиппокампа распо- расположена зубчатая извилина и собственно гиппокамп. Вверху на медиальной поверхности затылочной доли рас- расположена теменно-затылочная борозда, отделяющая темен- теменную долю от затылочной доли. От заднего полюса полушария до перешейка сводчатой извилины проходит шпорная бороз- борозда. Между теменно-затылочной бороздой спереди и шпорной снизу располагается клин, обращенный острым углом кпе- кпереди. Нижняя поверхность полушария большого мозга имеет наиболее сложный рельеф. Спереди расположена нижняя по- поверхность лобной доли, позади нее — височный (передний) по- полюс и нижняя поверхность височной и затылочной долей, между которыми нет четкой границы. На нижней поверхно- поверхности лобной доли параллельно продольной щели проходит обо- обонятельная борозда, к которой снизу прилежит обонятельная луковица и обонятельный тракт, продолжающийся кзади в обонятельный треугольник. Между продольной щелью и обо-
2.12. КОНЕЧНЫЙ МОЗГ 71 нятельной бороздой расположена прямая извилина. Лате- ральнее от обонятельной борозды лежат глазничные (орби- (орбитальные) извилины. На нижней поверхности височной доли коллатеральная борозда отделяет медиальную затылочно-ви- затылочно-височную извилину от парагиппокампальной. Затылочно-ви- сочная борозда отделяет латеральную затылочно-височную извилину от одноименной медиальной извилины. На медиальной и нижней поверхностях выделяют ряд об- образований, относящихся к лимбической системе. Это обоня- обонятельная луковица, обонятельный тракт, обонятельный тре- треугольник, переднее продырявленное вещество, расположен- расположенные на нижней поверхности лобной доли и относящиеся также к периферическому отделу обонятельного мозга пояс- поясная, парагиппокампальная (вместе с крючком) и зубчатая из- извилины, гиппокамп. Кора образована серым веществом, которое лежит по пери- периферии (по поверхности) полушарий большого мозга. Толщина коры в различных участках полушарий колеблется от 1,3 до 5 мм. Строение и взаиморасположение нейронов в различных участках коры неодинаково, что определяет цитоархитекто- нику коры. Клетки более или менее одинаковой структуры располагаются в виде отдельных слоев (пластинок). Тела нейронов образуют шесть слоев. Толщина слоев, ха- характер их границ, размеры клеток, их количество в различных отделах новой коры варьируют. Снаружи расположен молеку- молекулярный слой, в нем залегают мелкие мультиполярные ассоци- ассоциативные нейроны и множество волокон — отростков нейронов нижележащих слоев. Второй слой — наружный зернистый — образован множеством мелких мультиполярных нейронов. Третий слой — самый широкий, наружный пирамидный слой, содержит нейроны пирамидной формы, тела которых увели- увеличиваются в направлении сверху вниз. Четвертый слой — внутренний зернистый, образован мелкими нейронами звездчатой формы. В пятом слое — внутреннем пирамидном, который наиболее хорошо развит в прецентральной извилине, залегают крупные пирамидной формы клетки, до 125 мкм ве- величиной. В шестом слое — полиморфном расположены нейро- нейроны различной формы и размеров. Количество нейронов в коре достигает 12—18 млрд. В каждом клеточном слое, помимо нервных клеток, распо- располагаются нервные волокна, приходящие из таламуса, а также соединяющие корковые зоны между собой. Строение и плот- плотность их залегания также неодинаковы в разпЛяных отделах
72 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ коры. Особенности распределения волокон в коре большого мозга определяют термином «миелоархитектоника». В толще белого вещества каждого полушария большого мозга ближе к основанию располагаются скопления серого ве- вещества, образующего отдельно лежащие базальные ядра (рис. 2.9). К базальным, подкорковым ядрам, или узлам, от- относятся полосатое тело, состоящее из хвостатого и чечевице- образного ядер, ограда и миндалевидное тело. Хвостатое ядро располагается латеральнее и выше от та- ламуса, отделено от него пограничной (терминальной) поло- полоской. Ядро имеет головку, образующую латеральную стенку переднего рога бокового желудочка; тело, лежащее под те- теменной долей; и хвост, участвующий в образовании крыши нижнего рога бокового желудочка. Чечевицеобразное ядро 12 Рис. 2.9. Горизонтальный разрез головного мозга. Базаль- Базальные ядра: 1 — кора большого мозга (плащ); 2 — колено мо- мозолистого тела; 3 — передний рог бокового желудочка; 4 — внутренняя капсула; 5 — наружная капсула; 6 — ограда; 7 — самая наружная капсула; 8 — скорлупа; 9 — бледный шар; 10 — третий желудочек; 11 — задний рог бокового желудочка; 12 — таламус; 13 — корковое вещество (кора) островка; 14 — головка хвостатого ядра; 15 — полость прозрачной перегородки
2.12. КОНЕЧНЫЙ МОЗГ 73 расположено латеральнее хвостатого. У чечевицеобразного ядра выделяют внутреннюю его часть — бледный шар и на- наружную — скорлупу. Эти ядра (как и хвостатое) являются подкорковыми двигательными центрами. Между хвостатым ядром и таламусом медиально и чечевицеобразным ядром ла- терально располагается прослойка белого вещества — внут- внутренняя капсула. Эта капсула образована основными восходя- восходящими и нисходящими проводящими путями головного мозга, соединяющими кору полушарий большого мозга со стволом и спинным мозгом. Латеральнее от чечевицеобразного ядра на- находится узкая полоска белого вещества — наружная капсула, а за ней лежит тонкое ядро — ограда. Таким образом, ограда расположена в белом веществе полушария латеральнее чече- чечевицеобразного ядра, между ним и корой островка. От коры островка ограда отделена прослойкой белого вещества, полу- получившей название самой наружной капсулы. Миндалевидное тело (миндалина) залегает в белом веществе передней части височной доли полушария, на 1,5—2 см кзади от ее височного полюса. К белому веществу полушарий относятся наружная и са- самая наружная капсулы, разделяющие базальные узлы друг от друга, волоконные структуры между корой и базальными уз- узлами, а также мозолистое тело, передняя спайка, свод и спай- спайка свода, в которых проходят системы нервных волокон, со- соединяющих участки коры и подкорковые центры как в преде- пределах одной половины мозга, так и центры правого и левого полушарий большого мозга. Мозолистое тело образовано поперечно ориентированны- ориентированными волокнами (комиссуральными), соединяющими правое и левое полушария. У мозолистого тела выделяют переднюю его часть — колено, которое, истончаясь, переходит в клюв, про- продолжающийся книзу в терминальную (пограничную) плас- пластинку. Сзади мозолистое тело утолщено, образует валик. Под мозолистым телом располагается свод, также состоящий из белого вещества. Свод представляет собой аксоны нейронов гиппокампа и имеет форму двух продольных плоских дуг, со- соединенных в средней их части поперечными волокнами (спай- (спайкой свода). Передняя часть свода поворачивает вниз, продол- продолжается в округлые валики — столбы свода, которые уходят в гипоталамус и заканчиваются в сосцевидных телах. Сзади свод переходит в ножки свода, которые расходятся в стороны и опускаются вниз. Каждая ножка продолжается в бахромку, которая достигает нижнего рога бокового желудочка, где при-
74 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ соединяется к гиппокампу. Между нижней поверхностью ко- колена и клюва мозолистого тела и столбами свода в сагиттальной плоскости расположены две пластинки прозрачной перего- перегородки, ограничивающие по бокам ее узкую полость. Под сред- средней частью свода, его телом находится третий желудочек — полость промежуточного мозга. Полостями полушарий большого мозга являются боковые желудочки (первый и второй), расположенные в толще белого вещества под мозолистым телом. Каждый желудочек состоит из четырех частей соответственно четырем основным долям полушария большого мозга. Передний рог залегает в лобной доле, центральная часть — в теменной, задний рог — в за- затылочной и нижний рог — в височной доле. Передние рога обоих желудочков отделены друг от друга двумя пластинками прозрачной перегородки. Центральная часть бокового желу- желудочка огибает сверху таламус и переходит кзади в задний рог, а книзу — в нижний рог. Медиальной стенкой нижнего рога является гиппокамп, соответствующий глубокой одноимен- одноименной борозде на медиальной поверхности полушария. С меди- медиальной стороны к гиппокампу прилежит бахромка, являю- являющаяся началом ножки свода. На медиальной стенке заднего рога бокового желудочка мозга имеется выпячивание — птичья шпора, соответствующая шпорной борозде на меди- медиальной поверхности полушария. В центральную часть и ниж- нижний рог бокового желудочка вдается сосудистое сплетение, ко- которое через межжелудочковое отверстие соединяется с сосу- сосудистым сплетением третьего желудочка. 2.13. ПРОВОДЯЩИЕ ПУТИ ГОЛОВНОГО И СПИННОГО МОЗГА В нервной системе нейроны образуют между собой синап- синапсы, формируют цепи и сети, по которым нервные импульсы распространяются только в определенных направлениях. От рецепторных (чувствительных) нейронов через вставочные нервные клетки импульсы следуют к эффекторным нейронам. В синапсах импульсы проводятся только в одном направле- направлении — от пресинаптической мембраны к постсинаптической. По одним цепям нейронов импульс распространяется центростремительно — от места его возникновения в коже, слизистых оболочках, органах движения, сосудах, тканях и органах к спинному или головному мозгу.
2.13. ПРОВОДЯЩИЕ ПУТИ ГОЛОВНОГО И СПИННОГО МОЗГА 75 По другим цепям нейронов импульсы проводятся центре- бежно — из мозга на периферию, к рабочим органам: мыш- мышцам, железам, тканям. Нервные волокна, несущие импульсы из спинного мозга в головной мозг или в обратном направле- направлении, складываются в пучки, образующие проводящие пути. Проводящие пути — это совокупность тесно расположенных нервных волокон, проходящих в определенных зонах белого вещества головного, спинного мозга, соединяющих различ- различные нервные центры и проводящих одинаковые нервные им- импульсы. В спинном и головном мозге выделяют три группы нерв- нервных волокон (проводящих путей): ассоциативные, комиссу- ральные и проекционные. Ассоциативные нервные волокна (короткие и длинные проводящие пути) соединяют между собой нервные центры, расположенные в одной половине мозга. Короткие (внутридо- левые) соединяют близлежащие участки серого вещества и располагаются в пределах одной доли (отдела) головного моз- мозга или соседних сегментов спинного мозга. Длинные (междо- (междолевые) ассоциативные пучки соединяют между собой участки серого вещества, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, обычно в различных долях (отделах) головного мозга или сегментах спинного мозга. К длинным ассоциатив- ассоциативным путям больших полушарий относятся верхний продоль- продольный пучок, соединяющий кору лобной доли с теменной и за- затылочной, нижний продольный пучок, связывающий серое вещество височной доли с затылочной, и крючковидный пу- пучок, соединяющий кору в области лобного полюса с передней частью височной доли. В спинном мозге ассоциативные волокна образуют собст- собственные пучки спинного мозга (межсегментарные пучки), ко- которые располагаются вблизи серого вещества. Комиссуральные (спаечные) нервные волокна (проводя- (проводящие пути) соединяют одинаковые нервные центры правого и левого полушарий большого мозга. Комиссуральные проводя- проводящие пути проходят через мозолистое тело, спайку свода, пе- переднюю спайку. Мозолистое тело соединяет между собой но- новые, более молодые отделы коры большого мозга правого и ле- левого полушарий, в которых волокна расходятся веерообразно, образуя лучистость мозолистого тела. В передней спайке про- проходят волокна, соединяющие участки коры височных долей обоих полушарий, принадлежащие обонятельному (более древнему) мозгу.
76 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Проекционные нервные волокна (проводящие пути) соеди- соединяют спинной мозг с головным, ядра мозгового ствола с ба- зальными ядрами и корой большого мозга (восходящие пути), а также головной мозг со спинным (нисходящие пути). Восходящие проекционные пути (проводящие пути), аф- афферентные, чувствительные, проводят к коре большого мозга нервные импульсы, возникающие в результате воздействия на организм различных факторов внешней среды, включая им- импульсы, идущие от органов чувств, опорно-двигательного ап- аппарата, внутренних органов и сосудов. В зависимости от этого восходящие проекционные пути делятся на три группы: экс- тероцептивные, проприоцептивные, интероцептивные. Экстероцептивные пути несут болевые, температурные, тактильные импульсы от кожного покрова, от органов чувств (зрения, слуха, вкуса, обоняния). Проводящий путь болевой и температурной чувстви- чувствительности (латеральный спинно-таламический путь) состоит из трех нейронов. Рецепторы первого (чувствительного) ней- нейрона, воспринимающие указанные раздражения, располага- располагаются в коже и слизистых оболочках, а его тело лежит в спин- спинномозговом узле. Центральный отросток чувствительного нейрона в составе заднего корешка направляется в задний рог спинного мозга и заканчивается синапсами на клетках второ- второго нейрона. Аксоны вторых нейронов, тела которых лежат в заднем роге, через переднюю спайку переходят на противопо- противоположную сторону спинного мозга, входят в боковой канатик, образуя латеральный спинно-таламический путь. Этот путь поднимается в продолговатый мозг, проходит в покрышке моста, покрышке среднего мозга и заканчивается в таламусе (вентральное заднее ядро и медиальные ядра). Аксоны клеток таламуса (III нейрон) направляются к внутренней зернистой пластинке коры (IV слой) постцентральной извилины, где на- находится корковый конец анализатора общей чувствитель- чувствительности. Проводящий путь осязания и давления (передний спин- спинно-таламический путь) несет импульсы от рецепторов кожи к клеткам коры постцентральной извилины. Ход волокон пер- первого нейрона этого пути аналогичен предыдущему. Большин- Большинство аксонов второго нейрона также переходят через перед- переднюю спайку на противоположную сторону спинного мозга в передний канатик и в его составе следуют вверх, к таламусу, а затем в постцентральную извилину. Часть волокон второго нейрона идет в составе заднего канатика спинного мозга своей
2.13. ПРОВОДЯЩИЕ ПУТИ ГОЛОВНОГО И СПИННОГО МОЗГА 77 стороны вместе с аксонами проводящего пути проприоцептив- ной чувствительности коркового направления. Проприоцептивные пути проводят импульсы от органов опорно-двигательного аппарата (от мышц, сухожилий, капсул суставов, связок). К коре постцентральной извилины этот путь несет информацию о положении частей тела, объеме движе- движений, мышечном тонусе, натяжении сухожилий. Прсприоцеп- тивная чувствительность позволяет человеку оценивать поло- положение частей своего тела в пространстве, анализировать собст- собственные сложные движения и дает возможность проводить целенаправленную их коррекцию. Тела первого нейрона этого пути также лежат в спинномозговом узле. Их аксоны в соста- составе задних корешков спинномозговых нервов, не входя в за- задний рог, направляются в задний канатик, где образуют тон- тонкий и клиновидный пучки. Нервные волокна следуют вверх в продолговатый мозг к тонкому и клиновидному ядрам. Аксо- Аксоны вторых нейронов, выходящие из этих ядер, переходят на противоположную сторону, образуя медиальную петлю, про- проходят через покрышку моста и покрышку среднего мозга и за- заканчиваются в таламусе синапсами на телах третьих нейронов (передняя часть вентрального заднего ядра). Аксоны нейронов таламуса направляются в кору, расположенную перед пост- постцентральной извилиной в глубине центральной борозды, к нейронам IV слоя. Часть волокон вторых нейронов по выходе из тонкого и клиновидного ядер направляется через нижнюю мозжечковую ножку в кору червя своей стороны. Другая часть волокон переходит на противоположную сторону и также че- через нижнюю мозжечковую ножку направляется к коре червя противоположной стороны. Эти волокна несут проприоцеп- проприоцептивные импульсы к мозжечку для коррекции подсознатель- подсознательных движений опорно-двигательного аппарата. Имеются так- также проприоцептивные передний и задний спинно-мозжечко- вые пути, которые несут в мозжечок информацию о состо- состоянии опорно-двигательного аппарата и двигательных центров спинного мозга. Интероцептивные пути проводят импульсы от внутрен- внутренних органов и сосудов. Расположенные в них рецепторы (ме- хано-, баро-, хемо-) воспринимают информацию о состоянии гомеостаза, интенсивности обменных процессов, химическом составе тканевой жидкости, крови, давлении в сосудах и т. д. Нисходящие проводящие пути несут импульсы от коры большого мозга и подкорковых центров к ядрам мозгового ствола и к двигательным и промежуточным ядрам передних
78 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ рогов спинного мозга. Нисходящие пути подразделяются на две группы: пирамидные (главный двигательный путь) и экс- экстрапирамидные . Главный двигательный, или пирамидный, путь представ- представляет собой систему нервных волокон, по которым произволь- произвольные двигательные импульсы от гигантских нейронов (пира- (пирамидных клеток Беца), расположенных в коре прецентральной извилины (V слой), направляются к двигательным ядрам че- черепных нервов и серому веществу спинного мозга. Здесь про- происходит синаптическое переключение и далее сигнал направ- направляется к скелетным мышцам. В зависимости от направления и расположения волокон пирамидный путь подразделяют на три части. Это корково-ядерный путь, идущий к ядрам череп- черепных нервов, латеральный и передний корково-спинномозго- вые пути, идущие к промежуточным ядрам и передним рогам спинного мозга (рис. 2.10). Рис. 2.10. Схема пирамидных пу- путей: 1 — прецентральная извили- извилина; 2 — таламус; 3 — корко- корково-ядерный путь; 4 — поперечный разрез среднего мозга; 5 — попе- поперечный разрез моста; 6 — попе- поперечный разрез продолговатого мозга; 7 — перекрест пирамид; 8 — латеральный корково-спин- номозговой путь; 9 — поперечный разрез спинного мозга; 10 — пе- передний корково-спинномозговой путь; —» — направление движе- движения нервных импульсов 10
2.13. ПРОВОДЯЩИЕ ПУТИ ГОЛОВНОГО И СПИННОГО МОЗГА 79 Корково-ядерный путь проходит через колено внутренней капсулы и основание ножки мозга. В среднем мозге, мосту, продолговатом мозге волокна корково-ядерного пути перехо- переходят на противоположную сторону к двигательным ядрам че- черепных нервов, где заканчиваются синапсами на их нейронах. Аксоны нейронов двигательных ядер выходят из мозга в со- составе соответствующих черепных нервов и направляются к скелетным мышцам головы и шеи. Латеральный и передний корковоспинномозговые пути проходят через переднюю часть задней ножки внутренней капсулы, затем через основание ножки мозга и моста перехо- переходят в продолговатый мозг, где образуют пирамиды. На грани- границе продолговатого мозга со спинным мозгом основная часть во- волокон корково-спинномозгового пути переходит на противопо- противоположную сторону, продолжается в боковой канатик спинного мозга (латеральный корково-спинномозговой путь) и посте- постепенно заканчивается синапсами на двигательных и промежу- промежуточных клетках серого вещества. Другие волокна коркового спинномозгового пути, не переходящие на противоположную сторону на границе продолговатого мозга со спинным, спуска- спускаются вниз в составе переднего канатика спинного мозга. Этот пучок волокон образует передний корково-спинномозговой путь. Его волокна посегментно переходят через белую спайку и заканчиваются синапсами на нейронах противоположной стороны спинного мозга. Аксоны двигательных клеток перед- передних рогов выходят из спинного мозга в составе передних ко- корешков и иннервируют скелетные мышцы. Экстрапирамидные проводящие пути являются филогене- филогенетически более старыми, чем пирамидные. Они имеют множе- множество связей как со стволом мозга, так и с корой большого моз- мозга, которая контролирует и управляет экстрапирамидной сис- системой. Экстрапирамидные проводящие пути берут начало в разных отделах коры полушарий большого мозга и ствола мозга, а заканчиваются они на клетках двигательных ядер мозгового ствола и серого вещества спинного мозга. Влияние коры большого мозга на экстрапирамидную систему и экстра- экстрапирамидные проводящие пути осуществляется через мозже- мозжечок, красные ядра, ретикулярную формацию, вестибулярные ядра. Одной из функций красного ядра является поддержание мышечного тонуса, необходимого для непроизвольного сохра- сохранения позы, а также сгибание конечностей при локомоции. От красных ядер нервные импульсы направляются в двигатель-
80 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ные ядра спинного мозга по красноядерно-спинномозговому (руброспинальному) проводящему пути. В осуществлении координации движений тела человека при нарушении равновесия важную роль играет преддвер- носпинномозговоп (вестибулоспинальный) путь, который связывает вестибулярные ядра с передними рогами спинного мозга. Кроме того, вестибулярные ядра связаны посредством заднего продольного пучка с двигательными ядрами III, IV, VI и других пар черепных нервов. Такая связь обеспечивает корректирующие движения глазных яблок при движениях головы и шеи. Аксоны первых нейронов преддверно-спинно- мозгового пути опускаются в составе переднего канатика спинного мозга. Вестибулярные ядра и активность связанных с ними путей находятся под контролем древней части мозжеч- мозжечка (ядро шатра). Кора большого мозга осуществляет управление функция- функциями мозжечка, участвующего в координации движений, через мост по кортико-мосто-мозжечковому пути, переключение сигналов идет через собственные ядра моста. Таким образом, проводящие пути головного и спинного мозга устанавливают связи между афферентными и эфферент- эфферентными (эффекторными) центрами, замыкают сложные нерв- нервные дуги в мозге человека. Одни из них замыкаются на филогенетически более ста- старых ядрах, лежащих в мозговом стволе и обеспечивающих функции, обладающие определенным автоматизмом, без учас- участия сознания, хотя и под контролем полушарий большого мозга. Другие замыкаются с участием высших отделов коры большого мозга и обеспечивают произвольные действия орга- органов и систем органов. Проводящие пути объединяют организм в функциональную целостность, обеспечивают согласованную деятельность всех его компонентов. 2.14. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ В КОРЕ ПОЛУШАРИЙ БОЛЬШОГО МОЗГА В коре большого мозга происходит анализ всех раздраже- раздражений, которые поступают по проводящим путям из окружаю- окружающей внешней и из внутренней среды. Наибольшее число аффе- афферентных импульсов поступает через ядра таламуса к клеткам III и IV слоев коры большого мозга. В коре большого мозга
2.14. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ В КОРЕ ПОЛУШАРИЙ БОЛЬШОГО МОЗГА 81 располагаются центры, регулирующие выполнение опреде- определенных функций. В коре центральной борозды, постцентральной извилины и верхней теменной дольки залегают ядра коркового конца ана- анализаторов проприоцептивной и общей чувствительности (температурной, болевой, осязательной) противоположной по- половины тела. При этом ближе к продольной щели мозга распо- расположены области нижних конечностей и нижних отделов туло- туловища, а наиболее близко к латеральной борозде проецируются рецепторные поля головы, языка, губ. Двигательная область коры находится главным образом в прецентральной извилине и парацентральной дольке на ме- медиальной поверхности полушария. В верхних участках пре- прецентральной извилины расположены центры мышц нижних конечностей и самих нижних отделов туловища. В нижней части этой извилины у латеральной борозды находятся цент- центры, регулирующие деятельность мышц лица и языка. Двига- Двигательные области каждого из полушарий связаны со скелетны- скелетными мышцами противоположной стороны тела. При этом вели- величина проекционных зон зависит не от размера органов или частей тела, а от их функционального значения. На обращенной к островку поверхности средней части верхней височной извилины находится центр слухового ана- анализатора. Центр зрительного анализатора располагается на медиальной поверхности затылочной доли полушария большого мозга по обеим сторонам шпорной борозды. К каж- каждому из полушарий подходят проводящие пути от рецепторов органа слуха и органа зрения как левой, так и правой сторон. Корковый конец обонятельного анализатора находится в коре крючка и передней части парагиппокампальной извили- извилины (древняя кора). Вкусовой центр коры находится в островной области и контактирует с зоной, анализирующей тактильную чувстви- чувствительность полости рта. Двигательный центр устной и письменной речи (артику- (артикуляция, произнесение и написание слов и предложений) нахо- находится в коре задне-нижних отделов лобной доли, возле общего двигательного центра (зона Брока). Анализаторы восприятия слуховых и зрительных обра- образов речи (понимание слов чужой речи, словесного обозначе- обозначения предметов и действий, узнавание букв, слов и их назначе- назначения, контроль за собственной устной и письменной речью) расположены рядом с корковыми зонами слуха и зрения. Сле-
82 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ дует особо отметить, что речевые анализаторы у правшей на- находятся преимущественно в левом полушарии большого моз- мозга, а у левшей — в правом полушарии. Нервные клетки ассоциативных зон, которые также выде- выделяют в коре полушарий большого мозга, не имеют прямых связей ни с органами чувств, ни с мышцами. Ассоциативные зоны выполняют связующие функции, они соединяют друг с другом различные области коры, объединяют поступающие в кору различного рода импульсы, формируют целостные пове- поведенческие акты, логическое мышление, память (понимание прочитанного или устной речи, узнавание предметов и их на- назначение). При повреждении таких ассоциативных зон восп- восприятие света или звука сохраняется, однако узнавание свето- световых образов или звуковых ассоциаций нарушается. Человек может видеть буквы и не понимать, что они обозначают, слы- слышит речь и не воспринимает значения слов. При нарушении ассоциативных зон коры большого мозга возможна потеря ре- речи. Человек способен понимать речь, но сам говорить не мо- может, разучивается писать, не может выполнять заученные движения написания букв, слов, не может выполнять другие, ранее привычные движения (застегивать пуговицы, зажигать спички). Основные ассоциативные области коры больших по- полушарий — это теменная (задняя и нижняя части теменной доли), лобная (лобная доля, кроме двигательной зоны) и лим- бическая (поясная извилина). Каждая из них особенно важна соответственно для высших сенсорных функций (построение целостных сенсорных образов) и речи; высших двигательных функций, выбора и запуска поведенческих программ; памяти и эмоциональных составляющих поведения. Значение правого и левого полушарий в выполнении раз- различных функций неодинаково. У правшей левое полушарие большого мозга играет большую роль в двигательных функци- функциях, поскольку мышцы правой стороны тела иннервируются из левого полушария. Чувствительные импульсы из правой по- половины тела также поступают в левую половину полушария. В левом полушарии мозга у правшей находятся более разви- развитые центры устной и письменной речи, словесного логическо- логического мышления. Правое полушарие обеспечивает конкретное, образное мышление, художественные способности. В правом полушарии лучше развиты чувствительные центры. В то же время кора полушарий большого мозга, функци- функционируя как единое целое, осуществляет процессы обработки чувствительной информации, формирует двигательные ко-
2.15. ЧЕРЕПНЫЕ НЕРВЫ 83 манды. Кора обеспечивает индивидуальное приспособление человека к изменяющимся условиям внутренней и окружаю- окружающей (внешней) среды. Благодаря гибкой приспособляемости к постоянно изменяющейся обстановке организм человека со- сохраняет жизнеспособность и жизнедеятельность. 2.15. ЧЕРЕПНЫЕ НЕРВЫ Периферическая нервная система образована нервными узлами (спинномозговыми, черепными и вегетативными), не- нервами C1 пара спинномозговых и 12 пар черепных) и нервны- нервными окончаниями, рецепторами (чувствительными) и эффекто- эффекторами. Каждый нерв состоит из нервных волокон, миелинизи- рованных и немиелинизированных. Снаружи нерв окружен соединительнотканной оболочкой — эпиневрием, в который входят питающие нерв кровеносные сосуды. Нерв состоит из пучков нервных волокон, которые, в свою очередь, покрыты периневрием, а отдельные волокна — эндоневрием. В зависимости от расположения, происхождения нервов и связанных с ними нервных узлов выделяют черепные и спин- спинномозговые нервы. Черепные нервы в количестве 12 пар отходят от ствола го- головного мозга. Все черепные нервы имеют собственные назва- названия и порядковый номер, обозначаемый римской цифрой: I — обонятельный нерв, II — зрительный, III — глазодви- глазодвигательный, IV — блоковой, V — тройничный, VI — отводя- отводящий, VII — лицевой, VIII — преддверно-улитковый, IX — языкоглоточный, X — блуждающий, XI — добавочный, XII — подъязычный. По особенностям строения и составу волокон выделяют три группы черепных нервов: чувствительные, двигательные, смешанные. К чувствительным нервам относятся обоня- обонятельный (I пара черепных нервов), зрительный (II пара), пред- преддверно-улитковый (VIII пара) черепные нервы. Обонятельные нервы (I пара черепных нервов) состоят из центральных отростков чувствительных (рецепторных) кле- клеток, располагающихся в слизистой оболочке обонятельной об- области полости носа. Обонятельные нервы в количестве 15— 20 нервов проходят в полость черепа через отверстия решетча- решетчатой пластинки верхней стенки полости носа. В полости черепа волокна обонятельных нервов вступают в обонятельные луко- луковицы и заканчиваются в них на клетках вторых нейронов. Из
84 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ обонятельных луковиц обонятельные нервные импульсы по волокнам обонятельных трактов и других структур обоня- обонятельного мозга направляются в полушария большого мозга. Зрительные нервы (II пара черепных нервов) образованы отростками клеток сетчатой оболочки глаза. Войдя в полость черепа, правый и левый зрительные нервы впереди турецкого седла частично перекрещиваются и продолжаются в зритель- зрительные тракты. Зрительные тракты направляются к латераль- латеральным коленчатым телам, верхним бугоркам пластинки четве- четверохолмия среднего мозга и подушке (задней части) таламуса, которые являются подкорковыми зрительными центрами. Преддверно-улитковый нерв (VIII пара черепных нервов) образован центральными отростками биполярных нейронов, залегающих в преддверном и улитковом узлах. Перифериче- Периферические отростки этих клеток преддверного и улиткового узлов формируют пучки, заканчивающиеся рецепторами соответ- соответственно в вестибулярной части перепончатого лабиринта внут- внутреннего уха и в спиральном органе улиткового протока. Цент- Центральные отростки направляются в мозг к ядрам, расположен- расположенным в покрышке моста у границы с продолговатым мозгом. Двигательными черепными нервами являются глазодвига- глазодвигательный нерв (III пара), блоковый (IV пара), отводящий (VI па- пара), добавочный (XI пара), подъязычный (XII пара) нервы. Глазодвигательный нерв (III пара черепных нервов) в сво- своем составе имеет двигательные и парасимпатические волокна, выходящие из двигательного и вегетативного (добавочного) ядра, расположенных в среднем мозге. В глазницу нерв прохо- проходит через верхнюю глазничную щель. Двигательные волокна направляются к мышцам глазного яблока — верхней, нижней и медиальной прямым; нижней косой, а также к мышце, под- поднимающей верхнее веко. Парасимпатические волокна идут к ресничному узлу, а волокна этого узла — к мышце, сужи- суживающей зрачок, и к ресничной мышце. Блоковой нерв (IV пара черепных нервов) начинается от двигательного ядра, лежащего также в среднем мозге на уров- уровне нижних холмиков. Нерв проходит в глазницу через верх- верхнюю глазничную щель и направляется к верхней косой мыш- мышце глаза. Отводящий нерв (VI пара черепных нервов) образован отро- отростками двигательных клеток ядра, расположенного в покрыш- покрышке моста. Нерв идет в глазницу через верхнюю глазничную щель, он иннервирует латеральную (отводящую) мышцу глаза.
2.15. ЧЕРЕПНЫЕ НЕРВЫ 85 Добавочный нерв (XI пара черепных нервов) образуется из нескольких двигательных корешков, выходящих из ядер, ле- лежащих в продолговатом мозге и в верхних сегментах спинно- спинного мозга. Нерв выходит из черепа через яремное отверстие (вместе с языкоглоточным и блуждающим нервами) и иннер- иннервирует грудино-ключично-сосцевидную и трапециевидную мышцы. Подъязычный нерв (XII пара черепных нервов) имеет дви- двигательное ядро в продолговатом мозге. Отростки клеток этого ядра образуют нерв, который выходит из полости черепа через канал подъязычного нерва и иннервирует мышцы языка. Смешанными черепными нервами являются тройничный, лицевой, языкоглоточный и блуждающий нервы. Тройничный нерв (V пара черепных нервов) имеет два ко- корешка — чувствительный и двигательный. Чувствительный корешок (кожная, болевая и мышечная чувствительность) об- образован центральными отростками клеток, находящимися в узле тройничного нерва, расположенного у вершины пирами- пирамиды височной кости. В составе двигательного корешка идут от- отростки клеток двигательного ядра тройничного нерва. Тройничной нерв образует три крупные ветви: первую, вторую и третью. Первая и вторая ветви — чувствительные, они содержат периферические отростки клеток узла тройнич- тройничного нерва. Третья ветвь состоит из чувствительных и двига- двигательных волокон. Первая ветвь — глазной нерв через верхнюю глазничную щель проходит в глазницу, где делится на три ветви — слез- слезный, лобный и носо-ресничный нервы. Ветви этих нервов ин- нервируют глазное яблоко, верхнее веко, слизистую оболочку передней части полости носа и придаточных пазух (лобной, клиновидной и ячеек решетчатой кости), а также кожу лба. Вторая ветвь — верхнечелюстной нерв проходит через круглое отверстие в крыловидно-небную ямку, где он отдает подглазничные скуловые нервы и узловые ветви. Верхнечелю- Верхнечелюстной нерв своими ветвями иннервирует слизистую оболочку полости носа, твердого и мягкого нёба, придаточных пазух но- носа (верхнечелюстной и ячеек решетчатой кости), кожу скуло- скуловой области и нижнего века, носа и верхней губы, зубы верх- верхней челюсти, твердую оболочку головного мозга в области средней черепной ямки. Узловые ветви верхнечелюстного не- нерва идут к парасимпатическому крылонёбному узлу. Отрост- Отростки клеток этого узла в составе ветвей верхнечелюстного нерва
86 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ идут к железам слизистой оболочки полости носа и полости рта, а также к слезной железе. Третья ветвь — нижнечелюстной нерв — смешанный, вы- выходит через овальное отверстие из полости черепа и разделя- разделяется на ушно-височный, щечный, язычный и нижний альве- альвеолярный нервы. Он снабжает твердую оболочку головного мозга в средней черепной ямке, отдает мышечные ветви к же- жевательным мышцам (височной, медиальной и латеральной крыловидным и собственным жевательным), к челюстно- подъязычной, переднему брюшку двубрюшной мышцы, к мышце, натягивающей мягкое нёбо, и мышце, напрягающей барабанную перепонку. Ушно-височный нерв иннервирует ко- кожу височной области, ушной раковины и наружного слухово- слухового прохода. В составе этого нерва проходят парасимпатиче- парасимпатические волокна (из языкоглоточного нерва), направляющиеся к околоушной слюнной железе. Щечный нерв иннервирует сли- слизистую оболочку щеки, язычный — передние две трети язы- языка. Язычный нерв содержит вкусовые волокна, заканчиваю- заканчивающиеся на вкусовых рецепторах языка, и парасимпатические волокна (из лицевого нерва). Парасимпатические волокна идут к поднижнечелюстному и подъязычному узлам, откуда иннервируются одноименные слюнные железы. Нижний альвеолярный нерв уходит в канал нижней че- челюсти, отдает веточки к нижним зубам и деснам, затем через подбородочное отверстие выходит к коже подбородка. Лицевой нерв (VII пара черепных нервов), смешанный, со- содержит двигательные, чувствительные и вегетативные (пара- (парасимпатические) волокна. Двигательные волокна являются от- отростками одноименного ядра лицевого нерва, расположенного в покрышке моста. Тела чувствительных клеток находятся в узле коленца, который лежит в глубине канала лицевого не- нерва в пирамиде височной кости. Центральные отростки этих клеток заканчиваются на клетках чувствительного ядра, так- также расположенного в покрышке моста. Парасимпатические волокна являются аксонами клеток вегетативного ядра, лежа- лежащего медиальнее чувствительного ядра. Лицевой нерв, выйдя из мозга, направляется во внутренний слуховой проход, где берет начало канал этого нерва. В канале от лицевого нерва отходит большой каменистый нерв, выходящий через одно- одноименное отверстие на верхушке пирамиды и несущий пара- парасимпатические волокна к крылонёбному узлу (управление слезной железой). Стременной нерв отходит к одноименной мышце, расположенной в барабанной полости. Барабанная струна, несущая вкусовые волокна от передних 2/3 языка и
2.15. ЧЕРЕПНЫЕ НЕРВЫ 87 парасимпатические для иннервации подчелюстной и подъ- подъязычной слюнных желез, проходит транзитом (не отдавая вет- ветвей) через барабанную полость. По выходе из барабанной по- полости струна присоединяется к язычному нерву. Лицевой нерв, выйдя из своего канала через шилососцевидное отверс- отверстие, отдает ветви к заднему брюшку надчерепной мышцы, ушным мышцам, затем проходит через околоушную слюнную железу и уходит своими конечными ветвями к мимическим мышцам, в том числе к подкожной мышце шеи. Языкоглоточный нерв (IX пара черепных нервов) — сме- смешанный, содержит двигательные, чувствительные и парасим- парасимпатические волокна. Из полости черепа нерв выходит через яремное отверстие. Двигательные волокна являются отрост- отростками клеток двойного ядра (общего с блуждающим нервом), иннервирующих мышцы глотки. Чувствительные волокна, являющиеся отростками клеток, образующих верхний и ниж- нижний узлы этого нерва, направляются к слизистой оболочке за- задней стенки глотки и задней трети языка, осуществляя в том числе и вкусовую иннервацию. Парасимпатические волокна, выходящие из нижнего слюноотделительного ядра, направля- направляются к околоушной слюнной железе. Блуждающий нерв (X пара черепных нервов), также со- содержащий двигательные, чувствительные и парасимпатиче- парасимпатические волокна, выходит из полости черепа через яремное от- отверстие вместе с языкоглоточным и добавочным нервами и с внутренней яремной веной. Двигательные волокна, выходя- выходящие из общего с языкоглоточным нервом добавочного ядра, иннервируют мышцы мягкого нёба, глотки, гортани и голосо- голосовых связок. Чувствительные волокна являются отростками клеток, образующих верхний и нижний узлы блуждающего нерва. Эти волокна проводят чувствительные импульсы от внутренних органов, наружного уха, твердой оболочки голов- головного мозга в задней черепной ямке. Парасимпатические во- волокна являются отростками заднего (дорзального) ядра блуждающего нерва, который иннервирует сердце и органы дыхания, большую часть пищеварительной системы (до сиг- сигмовидной ободочной кишки), почки. На шее блуждающий нерв, располагающийся рядом с общей сонной артерией и внутренней яремной веной, отдает ветви к гортани, глотке, пищеводу. Далее левый блуждающий нерв идет вниз, ложит- ложится на переднюю поверхность пищевода, а затем желудка. Правый блуждающий нерв проходит по задней поверхности пищевода и желудка. Парасимпатические волокна блуждаю- блуждающих нервов в стенках внутренних органов, в том числе и серд-
88 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ца, проходят к внутриорганным парасимпатическим узлам, из которых осуществляется иннервация их гладкой мускула- мускулатуры и желез. 2.16. СПИННОМОЗГОВЫЕ НЕРВЫ Спинномозговые нервы C1 пара) образуются из корешков, отходящих от спинного мозга. Выделяют 8 шейных спинно- спинномозговых нервов, 12 грудных, 5 поясничных, 5 крестцовых и 1 копчиковый. Спинномозговые нервы соответствуют сегмен- сегментам спинного мозга (рис. 2.11). Каждый спинномозговой нерв формируется из двух ко- корешков — переднего (выносящего, эфферентного) и заднего (приносящего, афферентного), которые соединяются друг с другом в межпозвоночном отверстии. К заднему корешку при- прилежит чувствительный спинномозговой узел, содержащий тела крупных псевдоуниполярных чувствительных нейронов. Дендриты этих клеток направляются на периферию, где за- заканчиваются рецепторами, аксоны чувствительных клеток в составе заднего корешка входят в соответствующий задний рог спинного мозга. Волокна переднего и заднего корешков образуют смешанные спинномозговые нервы, содержащие чувствительные (афферент- (афферентные) и двигательные (эфферентные) волокна. Спинномозговые нервы, образующиеся на уровне восьмого шейного, всех груд- грудных и двух верхних поясничных сегментов спинного мозга, со- содержат также вегетативные (симпатические) волокна, являю- являющиеся отростками клеток, расположенных в боковых рогах и выходящих из спинного мозга в составе передних корешков. Каждый спинномозговой нерв, выходя из межпозвоночно- межпозвоночного отверстия, делится на ветви: переднюю, заднюю и оболо- чечную. Кроме этих трех ветвей, имеющихся у всех спинно- спинномозговых нервов, в грудном и верхнепоясничном отделах име- имеется четвертая соединительная ветвь, соединяющаяся с симпатическим стволом. В составе этой ветви к симпатическо- симпатическому стволу идут вегетативные волокна, являющиеся отростка- отростками клеток, расположенных в боковых рогах спинного мозга с восьмого шейного — первого грудного сегментов по второй по- поясничный сегмент. Оболочечная ветвь возвращается через межпозвоночное отверстие в позвоночный канал и иннервиру- ет оболочки спинного мозга. Задние ветви уходят назад к мышцам и коже задней области шеи, спины, поясничной об-
2.16. СПИННОМОЗГОВЫЕ НЕРВЫ 89 ласти и ягодиц. Наиболее толстые передние ветви идут кпе- кпереди, их волокна иннервируют кожу и мышцы шеи, груди, живота, верхних и нижних конечностей. В шейном, пояснич- поясничном и крестцовом отделах передние ветви обмениваются во- волокнами и образуют сплетения: шейное, плечевое, пояснич- поясничное, крестцовое, от которых отходят периферические нервы. В грудном отделе передние ветви грудных спинномозговых нервов волокнами не обмениваются, проходят в стенках груди и живота под названием межреберных нервов. Рис. 2.11. Перифериче- Периферическая нервная система: 1 — головной мозг; 2 — спинной мозг; 3 — шей- шейное сплетение; 4 — пле- плечевое сплетение; 5 — межреберные нервы; 6 — лучевой нерв; 7 — поясничное сплетение; 8 — крестцовое сплете- сплетение; 9 — седалищный нерв; 10 — большебер- цовый нерв; 11 — общий малоберцовый нерв; 12 — поверхностный малобер- малоберцовый нерв; 13 — глубо- глубокий малоберцовый нерв; 14 — подкожный нерв ноги; 15 — запиратель- ный нерв; 16 — бедрен- бедренный нерв; 17 — локте- локтевой нерв; 18 — средин- срединный нерв; 19 — симпа- симпатический ствол 19 18
90 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Шейное сплетение образовано передними ветвями четырех верхних шейных спинномозговых нервов. Оно расположено между глубокими мышцами шеи. Ветви шейного сплетения выходят из-под заднего края грудино-ключично-сосцевидной мышцы. Мышечные ветви направляются к соседним мышцам (большой ушной, малый затылочный, подключичный нервы, поперечный нерв шеи, диафрагмальный нерв) и, соединяясь с подъязычным нервом (XII пара черепных нервов), образуют шейную петлю, иннервирующую передние мышцы шеи ниже подъязычной кости. Нервы шейного сплетения иннервируют глубокие мышцы шеи, кожу ушной раковины и наружного слухового прохода, латеральной части затылка, передних отде- отделов шеи, надключичной и подключичной областей. Длинный диафрагмальный нерв спускается вниз в грудную полость, проходит между перикардом и средостенной плеврой и раз- разветвляется в диафрагме. Диафрагмальный нерв иннервирует перикард, средостенную плевру, а также диафрагмальную брюшину и брюшинные связки печени. Плечевое сплетение образовано передними ветвями четырех нижних шейных (V—VIII) и частично I грудного спинномозго- спинномозговых нервов. Расположено сплетение между передней и средней лестничными мышцами, откуда оно позади ключицы спускает- спускается в подмышечную полость тремя пучками, окружающими подмышечную артерию. У сплетения выделяют надключичную и подключичную части. От надключичной части отходят корот- короткие ветви плечевого сплетения, иннервирующие часть мышц шеи, мышцы и кожу плечевого пояса, плечевой сустав. К надключичным ветвям сплетения относятся задний (дорзальный) нерв лопатки, идущий к мышцам спины, над- надлопаточный нерв, направляющийся к над- и подостным мышцам, подлопаточный нерв, разветвляющийся в одно- одноименной мышце, грудные нервы, иннервирующие большую и малую грудные мышцы, длинный грудной нерв, спускающий- спускающийся к передней зубчатой мышце, грудоспинной нерв, идущий к широчайшей мышце спины, и подмышечный нерв, разветв- разветвляющийся в дельтовидной мышце, капсуле плечевого сустава и коже плеча. От подключичной части плечевого сплетения, представ- представленного тремя толстыми нервными стволами, отходят длин- длинные ветви (нервы), идущие к коже, мышцам и суставам верх- верхней конечности. К длинным ветвям плечевого сплетения относятся меди- медиальный кожный нерв плеча, медиальный кожный нерв пред- предплечья и другие крупные нервы.
2.16. СПИННОМОЗГОВЫЕ НЕРВЫ 91 Мышечно-кожный нерв снабжает своими ветвями перед- передние мышцы плеча (двуглавую, клювовидно-плечевую и плече- плечевую), а также кожу латеральной стороны предплечья. Срединный нерв, идущий на плече рядом с плечевыми ар- артерией и венами, направляется на предплечье и кисть. На предплечье этот нерв отдает ветви к передним мышцам пред- предплечья (кроме локтевого сгибателя запястья и части глубоко- глубокого сгибателя пальцев), а затем через канал запястья направля- направляется на кисть. На кисти срединный нерв иннервирует мышцы возвышения большого пальца (кроме приводящей и части сги- сгибателя большого пальца), две латеральные червеобразные мышцы, а также кожу большого, указательного, среднего и половины безымянного пальца. Локтевой нерв проходит по медиальной стороне плеча, где он, как и средний нерв, ветвей не отдает. На предплечье этот нерв проходит рядом с локтевой артерией и иннервирует локтевой сгибатель запястья и часть глубокого сгибателя пальцев и уходит на кисть. На кисти локтевой нерв отдает вет- ветви к мышцам возвышения большого пальца, всем межкост- межкостным, двум медиальным червеобразным, приводящей большой палец кисти и глубокой головке короткого сгибателя большо- большого пальца кисти. Локтевой нерв также иннервирует кожу ла- ладонной стороны мизинца и медиальной половины безымянно- безымянного пальца. На тыльной стороне кисти локтевой нерв снабжает кожу двух с половиной пальцев, включая мизинец. Лучевой нерв на плече проходит вместе с глубокой артери- артерией плеча в плечеподмышечном канале на задней поверхности кости, где отдает ветви к трехглавой мышце и коже задней по- поверхности плеча. Пройдя на предплечье, лучевой нерв иннер- иннервирует все мышцы и кожу задней поверхности предплечья (разгибатели), а также кожу тыльной стороны двух с полови- половиной пальцев, начиная с большого пальца. Передние ветви грудных спинномозговых нервов сплете- сплетения не образуют и уходят в межреберные промежутки в каче- качестве межреберных нервов. Межреберные нервы иннервируют кожу и мышцы груди (межреберные и другие). Шесть нижних межреберных нервов иннервируют кожу и мышцы передней брюшной стенки. Поясничное сплетение располагается-, в толще большой по- поясничной мышцы, образовано передними ветвями трех верх- верхних поясничных нервов и частично XII грудного и IV пояснич- поясничного. Из поясничного сплетения выходят мышечные ветви к большой и малой поясничным мышцам, квадратной мышце по- поясницы. Длинными ветвями поясничного сплетения являются
92 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ следующие нервы. Подвздошно-подчревный и подвздошно-па- ховый нервы иннервируют нижние отделы передней стенки живота, ее кожу и мышцы. Подвздошно-паховый нерв отдает также ветви к коже наружных половых органов. Бедреннопо- ловой нерв спускается вниз по передней поверхности большой поясничной мышцы. Одна его ветвь разветвляется и иннерви- рует кожу бедра ниже паховой складки, а другая иннервирует семенной канатик и оболочки яичек (у мужчин), а у женщин — круглую связку матки и кожу наружных половых органов. Латеральный кожный нерв бедра идет вниз по передней поверхности подвздошной мышцы. Затем медиальнее перед- передней верхней ости подвздошной кости выходит на бедро и снаб- снабжает кожу на боковой его стороне. Запирательный нерв проходит по стенке малого таза к за- пирательному каналу, через него — к приводящим мышцам бедра и покрывающей их коже. Бедренный нерв, самый крупный нерв поясничного спле- сплетения, спускается вниз и через мышечную лакуну под пахо- паховой связкой выходит на бедро. Этот нерв иннервирует мышцы передней поверхности бедра (четырехглавую и портняжную) и кожу. Длинная ветвь бедренного нерва — подкожный нерв проходит вниз рядом с большой подкожной веной ноги и отда- отдает ветви к коже переднемедиальной поверхности коленного сустава, голени и стопы. Крестцовое сплетение образовано передними ветвями V поясничного, всех крестцовых и копчиковых нервов, а также (частично) волокнами четвертого поясничного спинномозгово- спинномозгового нерва. Располагается крестцовое сплетение на передней по- поверхности крестца. Из крестцового сплетения выходят ветви к мышцам таза (грушевидной, близнецовым, внутренней за- пирательной), квадратной мышце бедра, ягодичные нервы (верхний и нижний) к ягодичным мышцам, половой нерв, идущий к коже и мышцам промежности, к наружным поло- половым органам, а также длинные ветви — задний кожный нерв бедра и седалищный нерв. Задний кожный нерв бедра выходит из полости таза вмес- вместе с седалищным, нижним ягодичным и половым нервами че- через подгрушевидное отверстие и иннервирует кожу задней по- поверхности бедра и ягодичной области. Седалищный нерв, самый крупный в теле человека, выхо- выходит на заднюю поверхность бедра, где отдает ветви к мышцам (двухглавой мышце бедра, полусухожильной и полуперепон- полуперепончатой). В подколенной ямке седалищный нерв разделяется на крупные большеберцовый и общий малоберцовый нервы.
2.17. АВТОНОМНАЯ (ВЕГЕТАТИВНАЯ) НЕРВНАЯ СИСТЕМА 93 Болыиеберцовый нерв, отдав медиальный кожный нерв ик- икры (к коже медиальной поверхности голени), уходит вниз между поверхностными и глубокими мышцами (в голено-под- коленном канале) и иннервирует все задние мышцы голени. Затем большеберцовый нерв огибает медиальную лодыжку сзади и уходит на подошву стопы, где делится на медиальный и латеральный подошвенный нервы, иннервирующие мыш- мышцы и кожу этой части тела. Общий малоберцовый нерв из подколенной ямки идет ла- терально, отдает латеральный кожный нерв икры (к коже заднелатеральной поверхности голени) и на уровне головки малоберцовой кости делится на поверхностный и глубокий малоберцовый нервы. Поверхностный малоберцовый нерв иннервирует длинную и короткую малоберцовые мышцы и кожу тыла стопы (кроме кожи в области первого межпальце- межпальцевого промежутка). Глубокий малоберцовый нерв проходит вместе с передней болыпеберцовой артерией между мышцами передней группы голени, иннервирует эти мышцы. На стопе глубокий малоберцовый нерв иннервирует короткие разгиба- разгибатели пальцев и кожу в области первого межпальцевого проме- промежутка. Медиальный и латеральный нервы икры (ветви больше- берцового и общего малоберцового нервов) соединяются на за- задней поверхности голени, образуют подкожный нерв, иннер- вирующий кожу латерального края стопы. 2.17. АВТОНОМНАЯ (ВЕГЕТАТИВНАЯ) НЕРВНАЯ СИСТЕМА Автономная (вегетативная) система из нервной системы выделена в связи с особенностями ее строения и функций. У всей нервной системы, исходя из ее функций, выделяют со- соматическую ее часть и автономную (вегетативную). К сомати- соматической части относят те отделы нервной системы, которые участвуют в выполнении функций, подконтрольных нашему сознанию. Это структуры, с помощью которых организм уста- устанавливает взаимоотношения с внешней средой, воспринимает различные виды чувствительности — болевую, температур- температурную, тактильную, световую, звуковую, вкусовую, а также обеспечивает функции опорно-двигательного аппарата. Вегетативная часть нервной системы осуществляет ин- иннервацию всех обменных процессов в теле человека, поддержи-
94 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ вает постоянство внутренней среды, координирует функции внутренних органов, желез, сердечно-сосудистой системы. Структурными отличиями автономной части нервной сис- системы от соматической нервной системы являются очаговое расположение вегетативных центров (в трех отделах мозга), наличие вегетативных нервных узлов (скоплений тел нерв- нервных клеток) в нервных сплетениях, двухнейронность эффе- эфферентного нервного пути от мозга до рабочего органа, отсутст- отсутствие сегментарности. Простейшая рефлекторная дуга вегетативного рефлекса, как и соматическая рефлекторная дуга, состоит из трех звень- звеньев: чувствительного (афферентного), вставочного (кондуктор- (кондукторного, переключательного) и двигательного или секреторного (эффекторного). Чувствительное звено образовано вегеточув- ствительными нервными клетками, расположенными в спин- спинномозговых узлах и чувствительных узлах черепных нервов. Периферические отростки вегеточувствительных нейронов имеют во всех внутренних и других органах, коже, стенках сосудов чувствительные нервные окончания — интерорецеп- торы. Анатомические особенности строения позволяют ре- рецепторам избирательно реагировать лишь на один определен- определенный вид энергии, который преобразуется в нервный импульс. Центральные отростки вегеточувствительных нейронов вхо- входят в мозг и достигают вегетативных ядер, где образуют си- синапсы (контакты) с вставочными (переключательными) ней- нейронами. Второе звено рефлекторной дуги представлено нейро- нейронами, тела которых располагаются в вегетативных ядрах спинного и головного мозга. Аксоны вставочных вегетатив- вегетативных нейронов покидают головной или спинной мозг в составе черепных или спинномозговых нервов. Отделившись от этих черепных или спинномозговых нервов, вегетативные волокна направляются к нервным клеткам — третьему звену вегета- вегетативной рефлекторной дуги. Тела эффекторных (двигатель- (двигательных, секреторных и других) нейронов образуют узлы, лежа- лежащие около позвоночника (околопозвоночные) в составе право- правого и левого симпатических стволов, в стенках внутренних органов (внутриорганные узлы), а также возле внутренних ор- органов (околоорганные узлы). Аксоны эффекторных (третьих) нейронов имеют в органах эффекторные нервные окончания. Автономную нервную систему на основании строения, то- топографии вегетативных ядер в спинном и головном мозге, а также особенностей функции подразделяют на симпатиче- симпатическую и парасимпатическую части.
2.17. АВТОНОМНАЯ (ВЕГЕТАТИВНАЯ) НЕРВНАЯ СИСТЕМА 95 Симпатическая часть вегетативной нервной системы иннервирует все органы и ткани тела человека — кожу, мыш- мышцы, внутренние органы, кровеносные и лимфатические сосу- сосуды и другие структуры. Парасимпатическая часть иннервирует только внутрен- внутренние органы, которые, таким образом, имеют двойную вегета- вегетативную иннервацию — и симпатическую, и парасимпатиче- парасимпатическую. Все остальные органы и ткани получают только симпа- симпатическую вегетативную иннервацию. И симпатическая, и парасимпатическая части имеют цент- центральные отделы в виде ядер (скоплений клеток вегетативной природы), расположенных в различных отделах мозга, и пе- периферический отдел. Периферический отдел вегетативной нервной системы включает находящиеся за пределами мозга (вне полости черепа и позвоночного канала) вегетативные не- нервы, нервные волокна, узлы (ганглии), вегетативные сплете- сплетения и нервные окончания. У симпатической части к центральному ее отделу прина- принадлежат ядра, расположенные в боковых рогах спинного мозга с VIII шейного (I грудного) по II поясничный сегмент. К пери- периферическому отделу симпатической части относятся парный симпатический ствол, расположенный по сторонам от позво- позвоночного столба (справа и слева) с его соединительными ветвя- ветвями (белыми и серыми); нервы, идущие от симпатического ствола к внутренним органам и сосудам, к крупным симпати- симпатическим сплетениям, находящимся в брюшной полости и в по- полости таза, нервные окончания симпатической природы. Сим- Симпатические нервные сплетения располагаются на брюшной аорте, на передней поверхности крестца и состоят из групп нервных узлов, подходящих к ним и отходящих от них не- нервов. К числу наиболее крупных сплетений относится чревное (солнечное) сплетение, расположенное вокруг чревного ство- ствола. Из узлов этого сплетения отходят симпатические волокна, иннервирующие почти все органы брюшной полости. Симпа- Симпатические волокна, отходящие от симпатического ствола, идут также в составе всех спинномозговых и черепных нервов. Су- Существуют и самостоятельные симпатические нервы — сердеч- сердечные, сонные, пищеводные, легочные, осуществляющие сим- симпатическую иннервацию сердца, органов головы, шеи, грудной и брюшной полостей. Симпатическая нервная система иннер- иннервирует все ткани и органы тела человека. Медиатором (хими- (химическим посредником передачи возбуждения) окончаний сим- симпатических нервных волокон в большинстве случаев является норадреналин. Под его влиянием увеличивается ритм и сила
96 2. СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ сердечных сокращений, происходит сужение сосудов, расши- расширение зрачка, снижение секреции желез желудка и кишечни- кишечника, расслабление гладкой мускулатуры кишечника. У парасимпатической части нервной системы цент- центральный отдел расположен в стволе головного мозга в виде ядер черепных нервов (глазодвигательного, лицевого, языко- глоточного, блуждающего) и в боковых рогах крестцовых сег- сегментов спинного мозга (с II по IV). Периферический отдел парасимпатической части нерв- нервной системы представлен нервными волокнами в составе че- черепных и тазовых нервов, нервными узлами, расположенны- расположенными в стенках внутренних органов или в непосредственной бли- близости от органов, нервными окончаниями парасимпатической природы. Ко многим внутренним органам парасимпатические волокна идут в составе блуждающих нервов (X пара черепных нервов). Этот нерв иннервирует почти все органы грудной и брюшной полостей. Половые органы, мочевой пузырь и ко- конечная часть толстой кишки получают парасимпатическую иннервацию из крестцового отдела спинного мозга. Медиатором, образующимся в окончаниях парасимпатиче- парасимпатических нервных волокон, является ацетилхолин, который уменьшает ритм и силу сердечных сокращений, суживает просвет бронхов, усиливает желудочно-кишечную перисталь- перистальтику, активизирует секрецию желез желудка, кишечника, поджелудочной железы, суживает зрачок. Таким образом, в отличие от других органов и частей тела, внутренние органы получают двойную вегетативную иннерва- иннервацию: и симпатическую, и парасимпатическую. Обе эти части вегетативной нервной системы действуют на одни и те же внутренние органы, создавая наиболее оптимальный режим их работы. В зависимости от жизненных обстоятельств, от ве- величины функциональных нагрузок вегетативная нервная сис- система или усиливает функции тех или иных внутренних орга- органов, включая работу сердца, или ослабляет их. При этом в каждый момент в соответствии с потребностями организма большую активность в отношении внутренних органов прояв- проявляет или симпатическая, или парасимпатическая части веге- вегетативной нервной системы. Что касается остальных органов и тканей (опорно-двига- (опорно-двигательного аппарата, кожи с ее структурными элементами, сте- стенок сосудов и др.), все обменные процессы в них регулирует симпатическая часть вегетативной нервной системы. Координацию работы всех отделов вегетативной нервной системы осуществляют гипоталамус и кора большого мозга.
3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 3.1. СИНАПТИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ НЕРВНЫХ КЛЕТОК Понятие синапса введено английским физиологом Ч. Шер- рингтоном. Исследуя рефлексы спинного мозга, он выяснил, что возбуждение идет только от задних корешков к передним и поэтому предположил наличие между нейронами контак- контактов, имеющих одностороннюю проводимость. Современные физиологические и цитологические работы подтвердили эту гипотезу. Синапс настолько узок, что его строение можно изучать только в электронный микроскоп. Он состоит из пресинапти- ческой части (отросток, или тело нейрона) и постсинаптиче- ской части (отросток, или тело). Цитоплазма в месте контакта уплотнена с обеих сторон или только в постсинаптической клетке. Сигнал передается от пресинаптической части к пост- постсинаптической. Между ними находится синаптическая щель шириной 0,02—0,03 мкм. Диаметр синапса 1—2 мкм и менее (рис. 3.1). В пресинаптическом окончании находятся небольшие мембранные пузырьки — везикулы. Диаметр везикул может составлять 0,02—0,06 мкм и более; их форма сферическая или уплощенная. Везикулы наполнены физиологически ак- активными веществами — медиаторами. Для каждого конкрет- конкретного нейрона параметры образуемых им синапсов (размер ще- щели, диаметр и форма везикул, количество молекул медиатора в везикуле) постоянны. Везикулы образуются в теле нейрона в результате деятель- деятельности комплекса Гольджи, транспортируются по аксону и на-
98 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Рис. 3.1. Различные варианты изображения синапса: а — плоская (двухмерная) схема; б — объемная схема; в — фо- фотография, полученная с помощью электронного микроско- микроскопа; / — пресинаптическая мембрана; 2 — постсинаптиче- ская мембрана; 3 — синаптическая щель; 4 — везикулы с медиатором; 5 — митохондрии; 6 — эндоплазматическая сеть капливаются в пресинаптическом окончании. При возбужде- возбуждении окончания происходит выброс (экзоцитоз) содержимого везикул за счет того, что мембрана пузырька слипается с пре- синаптической мембраной, и он «раскрывается» в синаптиче- скую щель. Медиатор, попав в щель, воздействует на постси- наптическую мембрану. В результате постсинаптическая клетка может возбудиться или затормозить свою активность. Именно в этом и состоит сущность процесса передачи инфор- информации от нейрона к нейрону. Синапсы разделяют на типы в зависимости от структур, которые их образуют. Наиболее распространены аксо-дендритные и аксо-сомати- ческие синапсы — контакты между аксоном одной клетки (пресинаптическая часть) и дендритом либо телом другой клетки (постсинаптическая часть). Встречаются и другие ва- варианты: дендро-дендритные, сомато-дендритные, аксо-аксо- нальные и прочие типы синапсов. Синапс, состоящий из одного пре- и одного постсинаптиче- ского окончания, называют простым, но в ЦНС существуют и сложные синапсы. В этом случае можно наблюдать, как пре- синаптическое окончание аксона образует «розетку» мембран-
3.1. СИНАПТИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ НЕРВНЫХ КЛЕТОК 99 ных выростов и контактирует с дендритами или телами сразу нескольких нейронов (рис. 3.2). Иная картина при формировании так называемых денд- дендритных шипиков: пресинаптических окончаний несколько, постсинаптическая же часть одна и образована характерным выростом дендрита. Более сложную структуру имеют синоптические гломеру- гломерулы — компактные скопления нервных отростков разных кле- клеток, формирующие большое количество взаимных синапсов. Обычно такие гломерулы окружены оболочкой из глиальных клеток. Синапс является элементарной структурой и функцио- функциональной единицей нервной ткани, в которой происходит пере- передача сигналов с нейрона на нейрон. Взаимодействие эффектов рядом расположенных синапсов — один из важнейших эле- элементов обработки информации в ЦНС, а существование слож- сложных синапсов (особенно синаптических гломерул) позволяет осуществлять этот процесс особенно эффективно. Наибольшее количество сложных синапсов расположено именно в тех зо- зонах мозга, где происходит максимально сложная обработка сигналов — в коре больших полушарий, коре мозжечка и та- ламусе. Количество синапсов, образуемых одним нейроном, в сред- среднем составляет 2—5 и более тысяч. Синапсы присутствуют на Рис. 3.2. Типы сложных синапсов, наиболее часто встре- встречающихся в ЦНС: а — розетка; б — дендритный шипик; в — гломерула; 1 — окончания аксонов, образующие си- синапсы; 2 — дендриты; 3 — оболочка (глиальная клетка); —> —направление передачи сигнала в синапсах
100 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ теле нейрона, его дендритах и в меньшей степени на аксоне. Наибольшее значение для деятельности нервных клеток име- имеют контакты с телом нейрона, основанием дендритов, а также точками их первого разветвления (рис. 3.3). Пресинаптиче- скую функцию выполняют чаще всего конечные разветвления аксонов, реже — их коллатерали, а также тонкие ветвления дендритов. Отдельные нейроны, соединяясь синаптическими контак- контактами, образуют нервные цепи и сети, состоящие из трех основ- основных элементов — входных волокон, релейных клеток (тип Гольджи I — более крупные, обычно возбуждающие; имеют длинные аксоны и дают эфферентные выходы из сети к дру- другим структурам мозга) и интернейронов (тип Гольджи II — мельче, чаще тормозные; имеют короткие аксоны и модулиру- модулируют активность близлежащих нервных клеток). Каждый си- синапс может быть образован любыми двумя из этих элементов или всеми тремя. При этом формируются нейронные конту- контуры, способные осуществлять передачу сигналов по сложным траекториям; соединять и разделять потоки сигналов. Такие сети образуют простейшие (типовые) нейронные модули, слу- служащие для обработки информации, которые функционируют как единое целое и могут многократно повторяться в некото- некоторой мозговой структуре (ядре). Кроме синапсов в ЦНС, нервные клетки способны к обра- образованию контактов с мышцами и внутренними органами — Рис. 3.3. Схема располо- расположения на теле и отрост- отростках нейрона большого количества синапсов: / — ядро; 2 — мито- митохондрии; 3 — синапсы
3.1. СИНАПТИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ НЕРВНЫХ КЛЕТОК 101 более крупных структур размером до 50 мкм (рис. 3.4). Нерв- Нервно-мышечные синапсы — это синапсы двигательной системы организма, срабатывание такого контакта вызывает сокраще- сокращение мышечного волокна. На каждой поперечно-полосатой мы- мышечной клетке имеется только один нервно-мышечный си- синапс, образованный мотонейроном ЦНС. Синапсы с внутренними органами — это синапсы вегета- вегетативной нервной системы. Их образуют симпатические и пара- парасимпатические нейроны с клетками гладких мышц или же- желез. Срабатывание таких контактов вызывает изменение сек- секреции или тонуса мышечных волокон в стенках внутренних органов. В вегетативной нервной системе существуют синапсы между нервными клетками вне ЦНС — в нервных сплетениях и ганглиях. Синапсы, использующие для передачи сигнала медиатор, называются химическими. Кроме них, существуют электри- электрические синапсы, где электрические сигналы переходят с пре- синаптической мембраны непосредственно на постсинаптиче- скую. Ширина синаптическои щели в этом случае составляет всего 0,002—0,004 мкм. Подобные контакты характерны для тканей сердечной мышцы и гладкой мускулатуры. Их нали- наличие позволяет возбуждению без заметной паузы переходить от волокна к волокну. Рис. 3.4. Строение нерв- нервно-мышечного синапса: а — малое увеличение; б — большое увеличение; / — разветвления нервно- нервного волокна; 2 — аксон мотонейрона; 3 — пре- синаптическое окончание нервного волокна; 4 — ве- везикулы с медиатором; 5 — митохондрии; 6 — по- стсинаптическая мембрана
102 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 3.2. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ Передача сигналов по нервным клеткам происходит в виде потенциалов действия (ПД) — коротких электрических им- импульсов, проходящих по мембранам. Однако и в состоянии по- покоя нейрон изнутри заряжен отрицательно по отношению к своей внешней поверхности, т. е. обладает устойчивым мемб- мембранным потенциалом, или потенциалом покоя (ПП), кото- который составляет в среднем -70 мВ. Для измерения ПП, а также другой электрической актив- активности нервных клеток используют стеклянный микроэлект- микроэлектрод — трубочку с сильно вытянутым и утонченным кончиком, диаметр которого должен быть менее 1 мкм; в этом случае микроэлектрод, проткнув мембрану нейрона, не нанесет ему заметных повреждений. Полость трубочки заполняется рас- раствором соли КС1 для обеспечения электрической проводимос- проводимости. Пока кончик электрода находится в межклеточной среде, стрелка микровольтметра стоит на нуле (рис. 3.5). В момент прокалывания мембраны нейрона регистрируется скачок по- потенциала вниз до уровня ПП, и, если не смещать электрод от- относительно нервной клетки, потенциал сохраняется практиче- практически неизменным. Потенциал покоя зависит от свойств мембраны нейронов и ионного баланса нервной ткани. Показано, что концентрация Рис. 3.5. Регистрация потенциала покоя нервной клетки: а — реальная фотография, позволяющая сопоставить раз- размеры нейрона и электродов, используемых в эксперимен- экспериментах; б — схема регистрации потенциала покоя путем введе- введения в нейрон кончика микроэлектрода; 1 — ядро клетки; 2 — внутриклеточный электрод; 3 — вольтметр
3.2. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ 103 основных ионов внутри и вне нервной клетки существенно различается; так, в аксоне кальмара ионов К+ в цитоплазме в 20—30 раз больше, чем снаружи; ионов Na+ и С1~ примерно в 10 раз меньше; Са2+ снаружи больше в 20—30 раз. Создание такого ионного баланса осуществляется особыми белками-насосами. Наиболее важной для деятельности нерв- нервной системы является натрий-калиевая АТФ-аза (Na+, К+-на- сос). Этот крупный белок (около 1000 аминокислот), встроен- встроенный в мембрану, имеет на внутренней поверхности места свя- связывания для Na+ и АТФ, а на наружной поверхности — для К+ (рис. 3.6). На первой стадии цикла Na+, К+-насос захватывает из ци- цитоплазмы три иона Na+ и молекулу АТФ, затем, используя энергию распада АТФ, молекула насоса меняет свою про- пространственную конфигурацию, ионы Na+ оказываются снару- снаружи клетки и высвобождаются в межклеточную среду. Насос захватывает два иона К+ и возвращается к исходной конфигу- конфигурации. В результате ионы К+ переходят в цитоплазму, а насос готов к новому циклу. Процесс переноса в клетку ионов К+ требует затраты энергии, получаемой в результате распада АТФ на АДФ и фосфорную кислоту (Ф). Скорость этого процесса может быть очень большой — до 600 ионов Na+ в секунду. В реальных нейронах она определя- определяется доступностью внутриклеточного Na+ и резко возрастает при его проникновении извне. При отсутствии любого из двух типов ионов работа насоса останавливается. Специфическим Внешняя среда . много Na+ 3 Na+ ^ мало К+ --К-Т-ТГТ-ГХ к--цллйЛ Внутренняя среда У мало Na+ ( , „+ АТФ \ j много К ^,—^Л ' 1 1 i \ /> ! ! - ! 1 \ Л, 1 ч Рис. 3.6. Схема Na+, К+-насоса: - ионов Na+ и перенос в клетку ионов Место связывания К+! п ) АЛ АД 2 К" -> — К+ л строфантина -О--О-0 , Двухслойная Л А А I липидная мембрана Ф+Ф - выход из клетки
104 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ядом, блокирующим деятельность Na+, К+-насоса, является токсин растительного происхождения строфантин, присоеди- присоединяющийся к месту связывания К+. Сходные системы переноса существуют для ионов С1~ и Са2\ При этом ионы хлора выводятся из цитоплазмы в меж- межклеточную среду, а ионы кальция обычно переносятся внутрь клеточных органоидов — каналов ЭПС и митохондрий. Для возникновения потенциала покоя также необходимо существование в мембране нервных клеток открытых ион- ионных каналов, в результате чего мембрана становится прони- проницаемой для определенных ионов, получающих возможность свободно перемещаться между цитоплазмой и межклеточной средой. Ключевое значение для появления ПП имеют посто- постоянно открытые (проточные) К+-каналы. Они представляют собой белковые молекулы, проход внутри которых специфи- специфически настроен на пропуск ионов К+. Исходное состояние нейрона (до развития ПП) — отсутствие внутреннего заряда. Количество положительных и отрицательных ионов в цитоплазме клетки равное. Такая кар- картина наблюдается на ранних этапах эмбрионального развития нервной ткани. Затем по мере ее созревания включаются ге- гены, запускающие синтез постоянно открытых К+-каналов. После их встраивания в мембрану ионы К+ получают возмож- возможность свободно выходить из клетки, где их содержание вели- велико, в межклеточную среду, где их гораздо меньше. Однако такая диффузия не приводит к уравниванию кон- концентрации ионов калия внутри и вне клетки, так как парал- параллельно с выходом К' из клетки в ней становится все больше ос- оставшихся без своей положительно заряженной пары анионов (отрицательно заряженных ионов); по мере диффузии К+ в ци- цитоплазме нейрона накапливается отрицательный электриче- электрический заряд (рис. 3.7, а). Притягивая к себе катионы (положи- (положительно заряженные ионы), он начинает все больше препятство- препятствовать выходу К4 из клетки. В итоге выход К+ продолжается лишь до тех пор, пока сила диффузии (концентрационного давления) и сила электрического поля не станут равны. Точка равновесия и соответствует уровню потенциала покоя. Ток ионов при достижении ПП не останавливается, так как имеются постоянно открытые каналы и Kf продолжает перемещаться сквозь мембрану, но число ионов, которые во- вошли в клетку и вышли из нее, теперь оказывается одинако- одинаковым. Такое состояние называется динамическим равновеси-
3.2. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ 105 Мембрана нейрона Выход ионов К+ ИК мВ' 0 1111 i 1 \ >¦ 2 Время, мс / / г >- б) Рис. 3.7. Роль ионов К+ в возникновении и поддержании потенциала покоя (ПП): а — возникновение ПП вследствие диффузии ионов К+ через постоянно открытые ионные ка- каналы (ИК); © — ионы К+; 0 — отрицательные ионные па- пары; б — изменение уровня ПП при удалении К+ из межкле- межклеточной среды и добавлении К+ в межклеточную среду; 1 — сдвиг ПП при удалении К+ из внешней среды (рост диффу- диффузии); 2 — сдвиг ПП при добавлении К+ во внешнюю среду (снижение диффузии) ем — равенством двух противоборствующих процессов. Если интенсивность одного из процессов изменится, то точка равно- равновесия сместится: при искусственном повышении концентра- концентрации К+ в межклеточной среде ослабляется диффузия; часть ионов будет втянута внутрь клетки, и ПП сместится вверх. При уменьшении содержания ионов калия в межклеточной среде усиливается диффузия, и ПП сместится вниз (рис. 3.7, б). Все эти явления подчиняются химическим и физическим законам. Существует уравнение Нернста, позволяющее рас- рассчитать уровень ПП, зная внутреннюю и наружную концент- концентрации К+: = 2,3RT/Flg[K+]Hap/[K+]1 где R, Т и F — три физические характеристики (газовая посто- постоянная, абсолютная температура и постоянная Фарадея соответ-
106 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ственно); выражение перед логарифмом B,3 RT/F) при темпе- температуре тела равно 61,5 мВ. Десятичный логарифм отношения концентраций ионов К+ в межклеточной среде ([К+]нар) и цито- цитоплазме ([К+]внутр) равен -1,30 для соотношения 1/20 и -1,48 для соотношения 1/30; соответствующие значения ПП будут равны -80 мВ и -91 мВ; при этом в равновесном состоянии из клетки выйдет менее 1% ионов К. Однако возникает несоответствие между рассчитанным уровнем ПП и ПП реальных клеток, который обычно несколь- несколько ниже по абсолютному значению. Подъем ПП происходит за счет другого типа постоянно открытых ионных каналов — на- натриевых, которых существенно меньше, чем калиевых, но входящие в них ионы Na"\ внося в клетку положительный за- заряд, могут увеличить ПП. Входящий ток Na+ (ток утечки), снижая ПП по абсолют- абсолютному значению, делает нейрон более возбудимым. Чем больше у нейрона ток утечки Na+ (постоянно открытых №+-каналов), тем легче вызвать у него потенциал действия. Роль ионов К+ в формировании ПП состоит в создании «ба- «базовой», несколько завышенной разности потенциалов между цитоплазмой нейрона и внешней средой, роль ионов Na+— в «подгонке» ПП каждого конкретного нейрона к генетически заданному уровню возбудимости. Чем больше натрия во внеш- внешней среде, а в мембране — натриевых каналов, тем выше (меньше по абсолютному значению) уровень ПП. Таким обра- образом, возникает возможность сформировать как легко возбуди- возбудимые нейроны (необходимые для систем бодрствования или кратковременной памяти), так и нейроны мало возбудимые (например, запускающие двигательные программы). Ток утечки Na+ компенсируется работой Na+, К+-насоса. При отравлении строфантином уровень ПП начнет медленно смещаться вверх, приближаясь к нулю. Мембрана нервной клетки на уровне ПП обладает также определенной проницаемостью для ионов СГ. Обычно она не- несколько выше, чем проницаемость для ионов Na+, и вклад ее в формирование ПП учтен в расширенном варианте уравнения Нернста: ПП = 2,3 RT/F lg (Рк[К+]нар + PNa[Na+]Hap + Рс|[С1-]внутр/рк[К+]внутр+ PNa[Na+]BHyTp+ РС|[С1-]нар)
3.2. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ 107 где Рк, PNa и РС1— проницаемости мембраны для соответст- соответствующих ионов (примерное соотношение 1,00 : 0,04 : 0,15). Последний фактор, который влияет на уровень ПП, — это электрогенный эффект Na+, К+-насоса. Обменивая в каждом цикле три иона натрия на два иона калия, насос уменьшает общее количество положительно заряженных ионов в цито- цитоплазме, и его активность снижает уровень ПП (увеличивает его по абсолютному значению). Вклад электрогенного эффек- эффекта насоса зависит от тока утечки Na+, но обычно не превышает нескольких мВ. Таким образом, конечный уровень потенциала покоя опре- определяется взаимодействием большого числа факторов, основ- основными из которых являются входящий и выходящий токи К+, входящий ток Na+ и деятельность Na+, К+-насоса. Конечная величина ПП является результатом динамического равнове- равновесия процессов. Воздействуя на любой из них, можно смещать уровень ПП и соответственно уровень возбудимости нервной клетки (рис. 3.8). Таким образом, функция ПП состоит в стабильном обеспе- обеспечении работоспособного состояния нервных клеток, и, обла- обладая ПП, нейрон способен из состояния ожидания переходить в «рабочий режим» — т. е. время от времени генерировать по- потенциалы действия (скачки потенциала на мембране, пере- передающие информацию в ЦНС). Рис. 3.8. Факторы, участвующие в формировании ПП: / — диффузия ионов К+ через постоянно откры- открытые калиевые каналы (рост ПП по абсолютной величине); II — Na+, К+-насос (обмен трех Na+ на два К+, электрогенный эффект и рост ПП по абсолютной величине); /// — диффузия ионов Na+ через постоянно открытые натриевые каналы: ток утечки, снижение ПП по абсолютной величине; --*¦ — движение ионов Na+; —*¦ — дви- движение ионов К+ III
108 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 3.3. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ Мембрана нервной клетки постоянно находится в состоя- состоянии поляризации, и ее внутренняя сторона заряжена отрица- отрицательно по отношению к внешней. Процесс уменьшения раз- разности потенциалов на мембране (снижение ПП по абсолютной величине) называется деполяризацией, а увеличение разности потенциалов (рост абсолютной величины ПП) — гиперполяри- гиперполяризацией. Можно воздействовать на мембрану, используя стеклян- стеклянный микроэлектрод. При подаче электрического тока и депо- деполяризации мембраны на 10, 15, 20 мВ и более по отношению к уровню ПП (рис. 3.9) разность потенциалов на мембране до- достигнет примерно -50 мВ и будет наблюдаться феномен «взры- вообразного» ее подъема и последующего спада. Это явление было названо потенциалом действия (ПД). В случае развития ПД ответ клетки на стимул значительно превышает амплиту- 30- -50 -70 Овершут Порог ПД пп i i i Стимулы 10 Время, мс Стимулы 10 15 20 мВ Рис. 3.9. Развитие ПД при раздражении нейрона увеличи- увеличивающимися по амплитуде электрическими стимулами
3.3. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ 109 ду самого стимула. Феномен потенциала действия чрезвычай- чрезвычайно важен для понимания общих принципов работы нервной системы. Именно в форме ПД осуществляется ответ нервных клеток на значимые стимулы, и в этой же форме сигналы рас- распространяются по мембранам нейронов. Средняя длительность ПД составляет около 1,5 мс. При этом его восходящая фаза (фаза деполяризации) несколько короче (около 0,5 мс) нисходящей фазы (фазы реполяриза- ции). На вершине ПД разность потенциалов меняет свой знак и достигает примерно +30 мВ (овершут). После ПД могут развиваться более длительные стадии следовой гиперполяри- гиперполяризации или деполяризации, имеющие обычно небольшую амп- амплитуду. Форма и амплитуда ПД стабильны в каждом конкрет- конкретном нейроне и не зависят от силы запускающего стимула, раз- развитие ПД нейрона происходит по принципу «все или ничего». Уровень потенциала, при котором деполяризация мембра- мембраны приводит к запуску ПД, называется порогом ПД и чаще всего составляет -50 мВ. Разница между ПП и порогом ПД на- называется критическим уровнем деполяризации. Чем ниже (по абсолютной величине) ПП, тем меньше критический уровень деполяризации и выше возбудимость нейрона. Ионы, участвующие в генерации ПД, те же, что и в случае потенциала покоя — Na+ и К+. При развитии ПД натрий входит в нейрон, а калий выходит. Ионные каналы, через которые они движутся, относятся к отдельному классу — потенциал-зави- потенциал-зависимым (электрочувствительным) ионным каналам. Транспорт- Транспортные белки этого класса обладают способностью находиться в от- открытом либо закрытом состоянии в зависимости от разности потенциалов на мембране клетки. Обычно это связано с наличи- наличием заряженных фрагментов белковой молекулы — створок. Та- Такие створки чаще всего перекрывают проход канала, если заряд внутри нейрона находится на уровне ПП, и открывают его при деполяризации мембраны. Если отдельно регистрировать движения (токи) ионов Na+ и К+ во время ПД, то можно получить следующие кривые (рис. 3.10). Натриевый ток возникает практически сразу пос- после запускающего ПД стимула, в течение 0,3—0,4 мс достигает максимума, а затем снижается. Снижение и прекращение натриевого тока происходит на фоне еще не завершившегося ПД. Следовательно, время открытия Иа+-каналов ограничено, и их закрытие происходит вне зависимости от разности потен- потенциалов на мембране. Калиевый ток, возникая позже натрие- натриевого, достигает максимума примерно через 1,0 мс после сти-
110 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Запуск ПД 1,2 1,6 Время, мс Рис. 3.10. Кривые потенциала действия (а), токов ионов Na+ (б) и К+ (в) мула. Противодействуя Na'-току, К+-ток выносит из клетки положительные заряды, возвращая разность потенциалов на мембране к уровню ПП. Таким образом, во время генерации ПД регистрируется более быстрый входящий ток ионов Na4" и более медленный выходящий ток ионов К+. Первый из них приводит к росту заряда внутри клетки (восходящая фаза ПД), второй — к возврату уровня потенциала покоя (нисходя- (нисходящая фаза ПД). Объяснить эти факты можно, если допустить существова- существование у электрочувствительного ^+-канала не одной, а двух створок. Более «быстрая» из них открывает канал (активиру- (активирует, А-створка); более «медленная» закрывает его (инактиви- рует, И-створка). В дальнейшем была доказана справедли-
3.3. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ 111 2 Движе- Движение А- створки „¦ / Движение с^ * Закрытие канала Возврат в исходное состояние Рис. 3.11. Кривая ПД (а) и схемы движения створок Ыа+-канала (б) и К+-канала (в) во вре- время генерации потенци- потенциала действия: 1 —5 — основные этапы про- процесса 4 Выход К+ 3акРытие вость этой гипотезы, причем оказалось, что «медленная» створка прикреплена к внутренней стороне канала. В итоге деятельность Na+-канала в ходе генерации ПД можно предста- представить следующим образом (рис. 3.11). На уровне ПП А-створка закрыта, И-створка открыта (состояние готовности, точка 1). При подаче стимула створки, не удерживаемые более отрица- отрицательным внутриклеточным зарядом, приходят в движение. А-створка очень быстро открывает проход внутри канала, и ионы Na+ начинают входить в нейрон; натриевый ток растет (точка 2). Скоро И-створка в своем движении достигает «верх- «верхнего положения»; каналы начинают закрываться, натриевый ток ослабевает и прекращается (точка 3). Именно движение И-створки ограничивает время откры- открытия канала, количество входящих в нейрон ионов Na+ и амп- амплитуду ПД. В точке 3 Ма+-канал пока еще не вернулся в на-
112 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ чальную конфигурацию: хотя он и закрыт, створки его зани- занимают положение, отличное от исходного. Вновь привести их в состояние готовности можно, лишь понизив мембранный по- потенциал до уровня ПП, что и является задачей К+каналов. К+-каналы являются потенциал-зависимыми каналами с одной (активирующей) створкой. Относительно медленно от- открываясь (рис. 3.11, точки 2—3), они обеспечивают выходя- выходящий ток калия и фазу гиперполяризации ПД. Закрытие створки происходит после «прохода» порогового уровня для запуска ПД (точки 4—5). При этом скорость закрытия также невелика. В результате повышенная проницаемость мембра- мембраны для ионов К+ сохраняется еще некоторое время. Это позво- позволяет разности потенциалов на мембране достичь уровня ПП, а часто — и опуститься ниже, что вызывает следовую гипер- гиперполяризацию. Если потенциал на мембране все же остается выше ПП, наблюдается следовая деполяризация. Оба эти со- состояния в дальнейшем затухают за счет деятельности посто- постоянно открытых ионных каналов. Одновременно при проходе уровня порога ПД совершают обратное движение створки Ка+-каналов. Сначала вновь быст- быстро срабатывает А-створка, закрывая проход канала (рис. 3.11, точка 4), затем возвращается в исходное положение И-створка (створка 5). В результате предотвращается возможность входа дополнительной порции Na+ при возврате канала в состояние готовности. Пока И-створки Ыа+-каналов не открылись, гене- генерация новых ПД невозможна. Это состояние называют абсо- абсолютной рефрактерностью, по длительности оно практически совпадает с длительностью ПД. Наличие абсолютной рефрак- рефрактерности не позволяет отдельным ПД накладываться друг на друга и ограничивает максимальную частоту разрядов нерв- нервных клеток величиной 500—700 Гц (реже — до 1000 Гц). Вслед за стадией абсолютной рефрактерности наступает отно- относительная рефрактерность: лишь часть Ка+-каналов верну- вернулась в состояние готовности, еще не закрыты все потенци- потенциал-зависимые К+-каналы. В таких условиях запуск ПД возмо- возможен, но только под действием более мощного стимула. Интересным вариантом генерации ПД являются пейсмекер- ные нейроны (клетки-пейсмекеры). Они обладают большой по- постоянной проницаемостью мембраны для ионов Na+. В резуль- результате у клеток-пейсмекеров не существует стабильного ПП. Раз- Разность потенциалов на их мембране постоянно стремится вверх. Когда она достигает порогового значения, происходит запуск ПД. После ПД заряд внутри клетки оказывается на довольно
3.3. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ 113 мВ 0 Рис. 3.12. Изменение разности потенциалов на мембране пейсме- керного нейрона У У Время, мс низком уровне, ПП вновь растет и запускается следующий ПД, в целом же наблюдается ритмический рисунок разрядов (рис. 3.12). Рост заряда 1 внутри клетки, связанный с большим током утечки Na+, приводит к периодической самопроизволь- самопроизвольной генерации потенциалов действия. Нейроны-пейсмекеры находятся в дыхательном центре продолговатого мозга, сход- сходные же свойства имеют клетки центра сердечного автоматизма. Существуют химические соединения — специфические бло- каторы потенциал-зависимых Ма+-каналов. Введение любого из этих препаратов блокирует вход ионов Na+ и прекращает генерацию потенциалов действия. Наиболее известный бло- катор — тетродотоксин, яд рыбы-собаки (иглобрюха), обла- обладающий очень высокой активностью. Признаками отравления являются быстрое понижение тонуса сосудов (расслабление гладких мышц в их стенках), угнетение дыхания, паралич ске- скелетной мускулатуры. Часть молекулы тетродотоксина входит в устье потенциал- зависимого Na+'Канала и застревает в нем. В результате воз- возникает хорошо подогнанная «пробка» и ПД не развивается. Тетродотоксин эффективен только при действии с наружной стороны мембраны (рис. 3.13). Особая группа фармакологических препаратов — местные анестетики: используется для предотвращения генерации и распространения ПД в периферических нервах. Это позволяет устранить локальные болевые ощущения. Молекулы местных анестетиков (новокаин, лидокаин) слишком велики, чтобы войти в Na+'Канал снаружи; они перекрывают его, проникнув изнутри клетки либо предварительно растворившись в липид- ной мембране. С внутренней стороны канала действуют также блокато- ры И-створки. Примером может служить батрахотоксин, яд лягушек-листолазов. Он резко увеличивает проницаемость
114 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Рис. 3.13. Схема взаи- взаимодействия специфиче- специфических блокаторов потен- потенциал-зависимых кана- каналов: 1 — мембрана нейрона; 2 — тетродо- токсин; 3 — область А-створки; 4 — мест- местный анастетик; 5 — И-створка; 6 — батра- хотоксин мембран для ионов Na1, приводя к их деполяризации и нару- нарушению сердечной проводимости. Тетраэтиламмоний способен блокировать потенциал-зави- потенциал-зависимые К+-каналы. В его присутствии наблюдается резкое уд- удлинение нисходящей фазы ПД. В результате возрастает и сум- суммарная длительность потенциала действия. В настоящее время известен не один, а несколько типов по- потенциал-зависимых NaT- и К+-каналов. Они различаются по- порогами срабатывания, а также скоростью открытия и закры- закрытия. Кроме того, в суммарные ионные токи, возникающие при развитии ПД, значительный вклад вносят ионы Са2+. Сущест- Существуют специфические потенциал-зависимые каналы, через ко- которые Са2+ входит в клетку; при этом он выполняет две функ- функции: как положительно заряженный ион деполяризует мемб- мембрану и как химический агент влияет на работу других ионных каналов, ферментов, рецепторов. Важно также то, что всякий ПД уменьшает существую- существующую разность концентраций ионов Na+ и К+ внутри и снару- снаружи клетки. Если заставить нейрон генерировать ПД с макси- максимальной частотой, то уже через несколько тысяч импульсов за счет выхода К* и входа Naf общий заряд цитоплазмы сущест- существенно приблизится к нулю. В результате И-створки Na+-KaHa- лов не смогут открыться в конце нисходящей фазы ПД и потен- потенциалы действия прекратятся. Теперь для восстановления рабо- работоспособности необходим отдых, и тогда Na+, К+-насосы вернут разность потенциалов к уровню ПП. Для реальных режимов деятельности ЦНС подобные ситуации нетипичны: «рабочая» частота нейронов редко превышает 50—70 Гц, причем интер- интервалы активации невелики (десятые доли секунды). Однако в
3.4. ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ 115 случае электрошока или эпилептического припадка времен- временное выключение импульсной активности нервных клеток весьма характерно. 3.4. ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ ПО НЕЙРОНУ Запуск импульсной активности в нервной системе осу- осуществляют два основных фактора. Первый из них — стиму- стимулы, действующие на чувствительные клетки сенсорных сис- систем и изменяющие проницаемость их мембраны. Это приво- приводит к развитию особых рецепторных потенциалов и в итоге — к генерации ПД. Второй фактор — выделение медиатора из пресинаптиче- ского окончания. Попав в синаптическую щель, медиатор воз- воздействует на постсинаптическую мембрану, возбуждая или тормозя следующий нейрон. Процессы подобного возбуждения или торможения связа- связаны с деятельностью еще одного типа ионных каналов — ли- ганд-зависимых (хемочувствительных). Они находятся на мембране, непосредственно окружающей синаптический кон- контакт. Обычно они закрыты. Их открывание происходит лишь при появлении медиатора, несущего сигнал химического ве- вещества (отсюда термин «хемочувствительные»). Лиганд-зависимые каналы можно разделить на три основных класса: избирательно проницаемые по отношению к ионам Na+, ионам К+ и ионам С1~. Отрывание первых из них приведет к входу в клетку ионов Na+ и деполяризации нейро- нейрона (рис. 3.14, а), во время которой разность потенциалов на мембране оказывается приближенной к порогу запуска ПД. В этот момент меньший, чем обычно, стимул может вызвать ре- реакцию нейрона, т. е. нервная клетка находится в относитель- относительно возбужденном состоянии. В связи с этим локальная депо- деполяризация мембраны под действием медиатора была названа возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП). Медиаторы, вызывающие ВПСП, отнесены к группе возбуж- возбуждающих медиаторов. Открывание хемочувствительных С1~-каналов приводит к входу в клетку ионов хлора; открывание К+-каналов — к вы- выходу ионов калия. В этих случаях возникает гиперполяриза-
116 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ а) мВ Порог запуска ПД ПП мВ Порог запуска ПД ПП I Действие | возбуждающего медиатора 10 15 мс -4- 10 15 мс Действие | тормозного медиатора Рис. 3.14. Изменение разности потенциалов на мембране нервной клетки при возникновении ВПСП (а) и ТПСП (б) ция и разность потенциалов на мембране нейрона увеличивает- увеличивается по абсолютной величине (рис. 3.14, б), поэтому для запуска ПД необходим больший, чем обычно, стимул. Следовательно, нервная клетка находится в относительно заторможенном со- состоянии. В связи с этим локальная гиперполяризация мемб- мембраны под действием медиатора была названа тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП). Медиаторы, вы- вызывающие ТПСП, отнесены к группе тормозных медиаторов. Усредненные параметры ВПСП и ТПСП весьма близки (рис. 3.14). Их длительность составляет обычно около Юме (иногда 50—100 мс), что существенно больше, чем в случае ПД. Амплитуда ВПСП и ТПСП определяется длительностью и кру- крутизной наклона их первой фазы, которая зависит от количества и длительности существования медиатора в синаптической щели. Амплитуда одиночных постсинаптических потенциа- потенциалов в ЦНС составляет 1—5 мВ. В крупном нервно-мышечном синапсе аналог ВПСП — потенциал концевой пластинки, может достигать 40 и более мВ. При детальном анализе сигнала можно видеть, что первые фазы ВПСП и ТПСП имеют ступенчатый характер, т.е. нарас- нарастают дискретно, шагами (квантами). Такая дискретность свя- связана с тем, что выброс медиатора в синаптическую щель так-
3.4. ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ 117 же идет квантами, где квант — одна везикула. В каждой вези- везикуле содержится несколько тысяч молекул медиатора, и их воздействие на постсинаптическую мембрану вызывает сдвиг потенциала примерно на 0,1 мВ. В подавляющем большинстве случаев (кроме потенциала концевой пластинки) одиночный ВПСП не способен запустить ПД, так как возбуждение, вызываемое медиатором, не дорас- дорастает до порогового уровня. Для достижения порога запуска ПД необходима суммация (наложение) нескольких ВПСП. Выделяют два варианта суммации — временную и про- пространственную. Временная суммация — объединение эффек- эффектов стимулов, пришедших по одному «каналу» с большой час- частотой (рис. 3.15): если к еще не угасшему ВПСП присоединить второй, затем третий и т. д., — возникнет реальная возмож- возможность запустить ПД. Это означает, что сигнал, достигший си- синапса, достаточно интенсивен и «заслуживает» того, чтобы быть переданным дальше по сети нейронов. мВ пп Порог запуска ПД ВПСП Одиночная стимуляция ПД Время, мс Ритмическая стимуляция Рис. 3.15. Схема временной суммации ВПСП, возникаю- возникающих при повторной стимуляции синапса, выделяющего возбуждающий медиатор
118 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Рис. 3.16. Схема пространственной суммации ВПСП в результате одновременного срабатывания синапсов 1—3 Пространственная суммация заключается в наложении друг на друга ВПСП соседних синапсов 1—3 в некоторой близ- близлежащей точке постсинаптической мембраны 4 (рис. 3.16), обладающей потенциал-зависимыми ионными каналами. Схе- Схема пространственной суммации напоминает логическую ячей- ячейку по типу «И», т. е. результат положительный, если несколь- несколько условий будут выполнены (несколько входных сигналов одновременно достигнут нервной клетки). В ходе деятельности нейронов эффекты пространственной и временной суммации объединяются, и чем больше синапсов участвуют в этом процессе (срабатывают относительно одно- одномоментно), тем больше вероятность достичь порога запуска ПД. При этом часть синапсов может обладать тормозными свойствами и вызывать ТПСП, вычитающиеся из суммы воз- возбуждающих влияний. В результате в первом приближении ус- условие запуска ПД в каждый момент времени можно опреде- определить следующим образом: ПП + (сумма всех ВПСП) - (сумма всех ТПСП) > порог запуска ПД Оценить вклад конкретных постсинаптических потенциа- потенциалов в этот процесс непросто. Дело в том, что их влияние быст- быстро затухает по мере удаления от места возникновения. Кроме
3.4. ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ 119 того, затухание в отростках происходит быстрее, чем в теле нейрона, а также тем быстрее, чем тоньше отросток. И нако- наконец, мембрана нейрона в разных местах имеет разную возбуди- возбудимость. Она максимальна в аксональном холмике (место отхож- дения аксона от тела) и в местах первого ветвления крупных дендритов. В итоге оказывается, что чем ближе конкретный синапс к этим точкам, тем больше его вклад в управление ге- генерацией ПД. Одного ТПСП, возникшего рядом с аксональ- ным холмиком, может оказаться достаточно для прекраще- прекращения проведения сигнала (логическая ячейка по типу «НЕ»). Процесс суммирования ВПСП и ТПСП, возникших в раз- разных синапсах, является основной вычислительной операцией, протекающей на нейронах ЦНС. При ее реализации сигналы имеют возможность «подтвердить» свою значимость, могут объединиться с другими сигналами и сформировать некото- некоторый «информационный образ», могут быть заблокированы (при наличии определенных условий — сигналов по тормоз- тормозным каналам). В связи с этим способность ЦНС выполнять сложные вычислительные операции определяется не ее об- общим весом и даже не числом нейронов, а именно количеством синапсов. По мере развития мозг способен формировать до- дополнительные синапсы, увеличивая свои потенциальные воз- возможности. Особенно интенсивно этот процесс идет в раннем детстве, когда нервная система настраивается на предстоя- предстоящий уровень информационной нагрузки. Если ПД возник в некоторой точке 1 мембраны (рис. 3.17, а), он начинает выполнять функцию запускающего стимула по отношению к соседним областям. При этом ток натрия, фор- формирующий первую фазу ПД, оказывает действие, аналогич- аналогичное влиянию деполяризующего электрического стимула. В результате потенциал-зависимые ионные каналы на еще не активированной мембране начинают открываться, и ПД дела- делает первый шаг. Развившись в точке 2, ПД запускает возбужде- возбуждение в точке 3 и т. д. Этот процесс можно уподобить волне, рас- расходящейся по воде от места падения камня. В ходе этого распространения фронт ПД движется от точки возникновения в разные стороны без «возвратов» назад, так как только что сработавшая мембрана приходит в состояние абсолютной рефрактерности. В каждый момент времени она может проводить сигнал только в одном направлении, и по- повторное проведение возможно лишь после возврата потенци- потенциал-зависимых каналов в состояние готовности.
120 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Перехват Ранвье Рис. 3.17. Схемы распространения ПД по нервным клет- клеткам: а — общая схема; б — распространение ПД по неми- елинизированному (безмякотному) волокну A, 2, 3, 4 — участки мембраны нейрона); в — распространение ПД по миелинизированному волокну Необходимость открывания ионных каналов на последова- последовательных участках мембраны делает проведение ПД весьма медленным — около 0,5—1 м/с (рис. 3.17, б), при этом шири- ширина одномоментно активированной зоны (фронт ПД) составляет примерно 1 мм. Скорость распространения можно увеличить, делая нерв- нервные волокна более толстыми: в гигантском аксоне кальмара при толщине 1 мм она достигает 10 м/с. Другой путь — фор- формирование миелиновых оболочек. В этом случае очередным
3.5. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕДИАТОРОВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 121 возбужденным участком при проведении ПД будет не сосед- соседняя точка мембраны, а ближайший перехват Ранвье. В ре- результате импульс будет распространяться прыжками (сальта- торно; рис. 3.17, в), развиваясь только на участках аксона, не закрытых Шванновскими клетками. Ширина таких участ- участков — 0,5 мкм (против 1 мм для миелинового сегмента). Ско- Скорость «прыжка» определяется толщиной миелиновой оболоч- оболочки. При общем диаметре волокна 1 мкм она составляет 3 м/с, при максимальном диаметре 22 мкм — 120 м/с. Кроме резко- резкого увеличения скорости проведения, сальтаторный вариант является очень экономичным, поскольку изменения ионного баланса в результате ПД происходят только в зоне перехватов. Скорость, близкая к 100 м/с, характерна для передачи кожной и мышечной чувствительности, двигательных ко- команд. Именно задержки, возникающие при такой передаче, определяют латентный (скрытый) период простых сенсомо- торных реакций. Он составляет около 20 мс, что соответствует «длине пути» нервного импульса — около 2 м (по руке к спин- спинному мозгу и обратно). Конечной целью бегущего по нерву ПД являются пресинап- тические окончания, где электрический сигнал превращается в химический, и скачок потенциала на мембране запускает вы- выделение медиатора, т. е. пока сигнал остается в «границах» од- одного нейрона, он передается в электрической форме (ПД). Для передачи между нейронами информация преобразуется в хи- химическую форму (медиатор). Подействовав на постсинаптиче- скую мембрану, медиатор вновь переводит сигнал в электриче- электрическую форму (ВПСП, ТПСП, запуск ПД). Все это свидетельству- свидетельствует о тесном взаимодействии электрических и химических процессов в ходе реализации различных функций мозга. 3.5. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕДИАТОРОВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Жизненный цикл медиаторов нервной системы включает следующие «стандарные» стадии: синтез, загрузку в везику- везикулы и транспорт в пресинаптическое окончание; выделение в синаптическую щель; связывание с рецептором на постсинап- тической мембране; инактивацию. Образование медиатора часто происходит непосредственно в пресинаптическом окончании. Это возможно тогда, когда про- процесс синтеза является химически относительно простым (осу-
122 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ществляется в 1—2 стадии) и не требует каких-либо труднодос- труднодоступных предшественников. Если эти условия не выполняют- выполняются, образование медиатора идет в теле нейрона (рис. 3.18). Это наиболее характерно для пептидных медиаторов, возникаю- возникающих в результате «вырезания» из более крупных белковых молекул. С синтезом каждого конкретного медиатора связаны спе- специфические ферменты, осуществляющие соответствующие реакции. От их количества и активности в конечном счете за- зависит активность медиаторной системы. Другой важный фак- фактор — наличие молекул-предшественниц. В этом случае дефи- дефицит медиаторов, образуемых из незаменимых веществ (тех, которые можно получить только с едой), может иметь пище- пищевое происхождение. Синтезированные в теле нейрона молекулы медиатора пе- переносятся сначала в ЭПС, а затем в комплекс Гольджи, кото- который обеспечивает экзоцитоз медиаторов, предварительно упа- упаковывая их в мембранные пузырьки-везикулы. Размер пу- пузырьков и количество в них молекул медиатора стабильны в каждом конкретном нейроне. Рис. 3.18. Синтез меди- медиатора: а — в теле нейро- нейрона; б — в пресинаптиче- ском окончании; 1 — ядро клетки; 2 — ЭПС; 3 — везикулы с меди- медиатором; 4 — молекулы медиатора; 5 — комп- комплекс Гольджи; 6 — пус- пустые везикулы
3.5. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕДИАТОРОВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 123 Образовавшиеся везикулы переносятся в пресинаптиче- ские окончания. Ключевую роль в этом процессе играют на- направляющие микротрубочки. Пузырьки с медиатором дви- движутся по этим «рельсам» с помощью механизмов, сходных с работой сократимых мышечных белков. Скорость такого транспорта довольно велика — до нескольких см/ч. В случае, когда медиатор синтезируется сразу в пресинапти- пресинаптическом окончании, комплекс Гольджи способен формировать пустые везикулы, которые аналогичным образом переносятся по аксону. Заполнение таких пузырьков медиатором осуществ- осуществляется непосредственно в пресинаптическом окончании (за счет работы специальных молекулярных насосов (рис. 3.18, б)). Везикулы — это не только удобная форма транспорта ве- веществ, но и способ упорядочить, сделать количественно ста- стабильным выброс медиатора в синаптическую щель. Число скапливающихся в пресинаптическом окончании везикул из- измеряется десятками тысяч, что также стабилизирует процес- процессы передачи сигналов; истощение запасов медиатора даже при интенсивном проведении информации происходит весьма ред- редко (обычно на фоне действия специальных фармакологиче- фармакологических агентов). Каждый нейрон производит только один основной меди- медиатор (ацетилхолин, дофамин и т. п.). Однако нередко можно обнаружить присутствие в пресинаптическом окончании и других веществ, способных к передаче нервных сигналов. Это комедиаторы (например, пептиды); они обнаруживаются в очень небольших количествах и обычно находятся в везику- везикулах, отличающихся по форме и размеру от пузырьков с основ- основным медиатором. Выброс содержимого везикул запускается в момент прихо- прихода в пресинаптическое окончание потенциала действия и ре- реализуется в несколько этапов. Первый из них заключается в от- открытии потенциал-зависимых Са2+-каналов, которые располо- расположены на «внешней» мембране пресинаптического окончания и открываются при его деполяризации в момент прихода ПД (рис. 3.19). В результате наблюдается вход в клетку определен- определенной порции ионов Са2+, и их содержание внутри окончания воз- возрастает в 10—100 раз. Чем выше концентрация Са2+ во внеш- внешней среде, тем больше число вошедших ионов; через эти же ка- каналы способны проникать ионы Mg2+, конкурируя с кальцием. Следовательно, появление в межклеточной среде магния умень- уменьшает итоговое число вошедшего в окончание кальция.
124 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Основное назначение ионов Са2+ в пресинаптическом окон- окончании — это воздействие на сложный белковый комплекс, встроенный в мембрану везикул. Этот комплекс включает бел- белки, ответственные за фиксацию пузырька в цитоплазме и за его контакт с пресинаптической мембраной. Под действием Са2+ (для этого нужно четыре иона) везикула приходит в дви- движение. Достигая пресинаптической мембраны, пузырек «сли- «слипается» с ней, в результате чего медиатор попадает в синапти- ческую щель. Весь этот процесс протекает очень быстро — в течение 1—5 мс, а примерно через 10 с можно наблюдать процесс восстановления везикул: они отделяются от мембраны и возвращаются в пресинаптическое окончание. В дальнейшем эти пустые пузырьки могут быть вновь заполнены медиатором. Запустить выброс содержимого везикул чрезвычайно важ- важно, но не менее важно быстро остановить этот процесс. Только ПД 2+ Са -канал Рис. 3.19. Основные этапы выброса медиатора из пресинап- тического окончания: / — потенциал действия, открываю- открывающий Са2+-каналы; 2 — вход ионов Са2+ в пресинаптическое окончание; 3 — ионы Са2+, соединяющиеся с мембраной ве- везикул; 4 — везикулы; 5 — взаимодействие везикулы с мембраной и выброс медиатора в синаптическую щель; 6 — снижение концентрации ионов Са2+ в синаптическом окон- окончании; 7 — митохондрия; 8 — ЭПС; в — ионы Са2+, * — ме- медиатор
3.5. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕДИАТОРОВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 125 в этом случае возможно точное соответствие между числом пришедших в пресинаптическое окончание ПД и количест- количеством выделившегося медиатора. Функцию остановки выброса выполняют особые молекулярные насосы, удаляющие ионы Са2+ из цитоплазмы окончания. Такие насосы находятся на мембранах каналов ЭПС и митохондрий. Перенося кальций внутрь этих органоидов, они прекращают его действие на ве- везикулы. Отравление Са2+-насосов ведет к гиперактивности синапса, продолжающейся до полного истощения запасов медиатора. Аналогичное действие оказывают токсины, блокирующие по- потенциал-зависимые Са2+-каналы в открытом положении. Токсин ботулиновой бактерии (ботулотоксин) известен как соединение, вызывающее тяжелейшие пищевые отравления. Проникая в синапс, он блокирует белки, отвечающие за кон- контакт везикулы с пресинаптической мембраной, в результате чего прекращается всякая передача нервного сигнала, разви- развиваются параличи. Попав в синаптическую щель, медиатор менее чем за 1 мс вступает во взаимодействие с пресинаптической мембраной, соединяясь с встроенными в нее специализированными белко- белковыми рецепторами. Пространственная организация рецепто- рецептора предусматривает существование у него активного центра — углубления в белковом клубке, имеющего определенную форму и распределение зарядов. Ему строго соответствует простран- пространственная конфигурация медиатора и распределение зарядов на его молекуле. В результате активный центр рецептора и медиатор способны формировать комплекс. Непосредствен- Непосредственным следствием этого является возбуждение рецептора, а за- затем — развитие постсинаптических потенциалов и запуск ПД. Выделяют два типа рецепторов — ионотропные и метабо- тропные. Возбуждение метаботропного рецептора выражается в изменении внутриклеточного метаболизма, т. е. течения био- биохимических реакций. С внутренней стороны мембраны к та- такому рецептору присоединен целый ряд других белков, вы- выполняющих ферментативные и частью передающие («посред- («посреднические») функции (рис. 3.20). Белки-посредники относятся к G-белкам. Под влиянием возбужденного рецептора G-белок воздействует на белок-фермент, обычно переводя его в «рабо- «рабочее» состояние. В результате запускается химическая реак- реакция: молекула-предшественник превращается в сигнальную молекулу — вторичный посредник.
126 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Открытие створки, вход (выход) ионов Рис. 3.20. Схема строения и функционирования метабо- тропного рецептора: 1 — медиатор; 2 — рецептор; 3 — ион- ионный канал; 4 — вторичный посредник; 5 — фермент; 6 — G-белок; —> — направление передачи сигнала Вторичные посредники — это мелкие, способные к быстро- быстрому перемещению молекулы или ионы, передающие сигнал внутри клетки. Этим они отличаются от «первичных посред- посредников» — медиаторов и гормонов, передающих информацию от клетки к клетке. Наиболее известным вторичным посредни- посредником является цАМФ (циклическая аденозинмонофосфорная кислота), образуемая из АТФ с помощью фермента аденилат- циклазы. Похожа на него цГМФ (гуанозинмонофосфорная кислота). Другими важнейшими вторичными посредниками являются инозитолтрифосфат и диацилглицерол, образуе- образуемые из компонентов клеточной мембраны под действием фер- фермента фосфолипазы С. Чрезвычайно велика роль Са2+, входя- входящего в клетку снаружи через ионные каналы или высвобож- высвобождающегося из особых мест хранения внутри клетки («депо» кальция). В последнее время много внимания уделяется вто- вторичному посреднику N0 (оксиду азота), который способен пе- передавать сигнал не только внутри клетки, но и между клетка- клетками, легко преодолевая мембрану, в том числе от постсинапти- ческого нейрона к пресинаптическому.
3.5. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕДИАТОРОВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 127 Заключительный шаг в проведении химического сигнала — воздействие вторичного посредника на хемочувствительный ионный канал. Это воздействие протекает либо непосредствен- непосредственно, либо через дополнительные промежуточные звенья (фер- (ферменты). В любом случае происходит открытие ионного канала и развитие ВПСП либо ТПСП. Продолжительность и амплиту- амплитуда их первой фазы будет определяться количеством вторично- вторичного посредника, которое зависит от количества выделившегося медиатора и длительности его взаимодействия с рецептором. Таким образом, механизм передачи нервного стимула, ис- используемый метаботропными рецепторами, включает в себя несколько последовательных этапов. На каждом из них воз- возможна регуляция (ослабление либо усиление) сигнала, что де- делает реакцию постсинаптическои клетки более гибкой и адап- адаптированной к текущим условиям. Вместе с тем это же при- приводит к замедлению процесса передачи информации. Вот почему в ходе эволюции возникла потребность в более быст- быстром пути проведения сигналов, в результате чего появились ионотропные рецепторы. В случае ионотропного рецептора чувствительная молекула содержит не только активный центр для связывания медиато- медиатора, но также ионный канал (рис. 3.21). Воздействие «первич- «первичного посредника» на рецептор приводит к быстрому открыва- открыванию канала и развитию постсинаптического потенциала. Открытие створки, вход (выход) ионов 9 Рис. 3.21. Схема строения и функционирования ио- ионотропного рецептора: 1 медиатор; 2 — рецеп- рецептор
128 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Рис. 3.22. Пути инакти- инактивации медиатора в си- синапсе Инактивация — заключительный этап жизненного цикла медиатора. Смысл этой стадии состоит в прекращении его дей- действия на рецептор (прерывание передачи сигнала). Процессы инактивации медиатора реализуются при участии специали- специализированных ферментов и транспортных белков (рис. 3.22). В более простом случае инактивация осуществляется пря- прямо в синаптической щели, когда фермент 2 быстро разрушает все свободно «плавающие» молекулы медиатора. Кроме этого, медиатор может быть удален с активных центров постсинап- тических рецепторов 1 еще двумя способами: путем обратного всасывания в пресинаптическое окончание, которое осуществ- осуществляется особыми белками-насосами 3 и путем всасывания в глиальные клетки, которое также происходит за счет деятель- деятельности белков-насосов 5. В случае переноса внутрь глиальных клеток медиатор раз- разрушается специализированным ферментом. В случае возврата в пресинаптическое окончание {«обрат- {«обратный захват») он также может быть разрушен, но может и по- повторно «загружаться» в пустые везикулы 4. Это позволяет наиболее экономно расходовать те медиаторы, синтез которых связан с определенными проблемами (недостаток предшест- предшественника, длинная цепочка реакций). Скорость процесса инактивации определяет общее время воздействия медиатора на рецептор, от которого в конечном итоге зависит амплитуда постсинаптических потенциалов, за- запуск ПД и продолжение проведения сигнала по нейронной се- сети. При повреждении элементов системы инактивации наблю- наблюдается значительное увеличение эффективности синаптиче-
3.5. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕДИАТОРОВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ 129 ской передачи, так как выделившийся медиатор существенно дольше воздействует на рецепторы и амплитуда ВПСП либо ТПСП заметно возрастает. Вещества, влияющие на различные этапы жизненного цикла медиаторов, имеют огромное значение для жизни че- человека. Именно они образуют группу психотропных препа- препаратов — соединений, влияющих на различные аспекты деятельности мозга: общий уровень активности, память, эмо- эмоциональные переживания. При этом наиболее часто использу- используются вещества, изменяющие взаимодействие рецептора и ме- медиатора, а также влияющие на хемочувствительные ионные каналы. При введении молекул, сходных по структуре с медиато- медиатором, наблюдается их соединение с активными центрами соот- соответствующих рецепторов и последующее возбуждение рецеп- рецепторов (рис. 3.23). Медиатор 1 присоединяется к рецептору 2, что приводит к воздействию на ионный канал 3 (направление воздействия отмечено стрелкой; рис. 3.23, а); агонист 4 присо- присоединяется к рецептору, что также приводит к передаче сигна- сигнала на ионный канал (рис. 3.23, б); конкурентный антагонист 5 не позволяет медиатору соединиться с рецептором (отмечено перечеркнутой стрелкой; рис. 3.23, в); неконкурентный анта- антагонист 6 блокирует ионный канал, что также не позволяет Рис. 3.23. Механизмы деятельности агонистов и антагонис- антагонистов медиаторов
130 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ развиться эффектам медиатора (отмечено перечеркнутой стрелкой; рис. 3.23, г). В результате эффект применяемого препарата оказывается аналогичен действию самого медиато- медиатора. Вещества такого рода называют агонистами медиатора, их влияние на синапс нередко оказывается очень длительным и эффективным. Это объясняется тем, что прочность связыва- связывания агониста с рецепторами нередко больше, чем у медиатора, а системы инактивации не способны быстро опознать агонист и убрать его из синаптической щели. В более сложном случае вводимые молекулы лишь частич- частично похожи на медиатор. Тогда, соединяясь с активными цент- центрами рецепторов, они будут их занимать (прекращать к ним доступ медиатора; конкурировать с ним), но не будут возбуж- возбуждать рецептор. В результате эффект применяемого препарата будет противоположен действию медиатора. Вещества такого рода называют конкурентными антагонистами медиатора. Существует также понятие неконкурентного антагониста (вводимый препарат мешает работе медиатора, блокируя хе- мочувствительные ионные каналы). Часть агонистов и антагонистов медиаторов являются ве- веществами природного происхождения. Их существование — результат длительных эволюционных процессов, в ходе кото- которых одни живые организмы (особенно растения) «изобретали» вещества, защищающие их от поедания другими организма- организмами. Природными психотропными препаратами являются так- также яды животных-охотников (змеи, пауки). Вторая часть агонистов и антагонистов — синтетические соединения, создаваемые человеком. В ходе их разработки хи- химикам и фармакологам приходится учитывать целый ряд тре- требований. Во-первых, в структуре такого вещества должен при- присутствовать «ключевой» участок, соответствующий молекуле медиатора. Во-вторых, такой препарат должен быть устойчив к действию систем инактивации. В-третьих, он должен прони- проникать через барьеры организма — гематоэнцефалический и же- желательно кишечный. Только в этом случае можно достичь мозга при системном введении — в виде таблетки либо инъек- инъекции. В настоящее время агонисты и антагонисты медиаторов (а также соединения, влияющие на синаптическую передачу другими путями) широко применяются в клинике. Вместе с тем в больших дозах многие из них являются наркотиками и ядами, что также свидетельствует о необходимости их серьез- серьезного изучения.
3.6. АЦЕТИЛХОЛИН 131 3.6. АЦЕТИЛХОЛИН По химическому строению ацетилхолин представляет со- собой соединение двух молекул — азотсодержащего холина и остатка уксусной кислоты: сн3 Никотин Холин является незаменимым витаминоподобным соеди- соединением, получаемым с пищей в достаточном количестве, и по- последствия его дефицита наблюдаются только в искусственных условиях. Синтез ацетилхолина осуществляется в основном в пресинаптических окончаниях с помощью фермента холина- цетилтрансферазы. Затем медиатор переносится в пустые ве- везикулы и хранится в них до момента выброса. Ацетилхолин в качестве медиатора работает в трех функ- функциональных блоках нервной системы: в нервно-мышечных синапсах, периферической части вегетативной нервной систе- системы и некоторых областях ЦНС. Ацетилхолин является медиатором мотонейронов нервной системы, которые расположены в передних рогах серого веще- вещества спинного мозга и двигательных ядрах черепных нервов. Их аксоны направляются к скелетным мышцам и, разветвля- разветвляясь, образуют нервно-мышечные синапсы. При этом один аксон может устанавливать контакт с сотнями мышечных волокон, но каждое мышечное волокно управляется только одним си- синапсом. Размер нервно-мышечных синапсов в десятки раз боль- больше, чем синапсов в ЦНС, и пришедший по аксону мотонейрона даже одиночный ПД вызывает выделение значительного ко-
132 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ личества ацетилхолина (этап /, рис. 3.24). В результате разви- развивающаяся на постсинаптическои мембране деполяризация ока- оказывается настолько велика, что всегда запускает ПД мышечной клетки (//), который приводит к выбросу Са2+ из каналов ЭПС (III), активации двигательных белков и сокращению (IV). Периферическое звено вегетативной нервной системы со- состоит из двух нейронов: тело первого (преганглионарного) на- находится в ЦНС, а аксон направляется к вегетативному ганг- ганглию; тело второго (постганглионарного) находится в ганглии, а аксон иннервирует гладкие мышечные или железистые клетки внутренних органов. Ацетилхолин в качестве меди- медиатора вырабатывается во всех преганглионарных клетках, а также в постганглионарных клетках парасимпатической час- части вегетативной нервной системы (рис. 3.25). Некоторые пост- ганглионарные симпатические волокна (активирующие пото- потовые железы и вызывающие расширение сосудов) также секре- тируют ацетилхолин. ПД Рис. 3.24. Этапы /—IV работы нервно-мышечного синапса: 1 — везикулы с ацетилхолином; 2 — поперечная трубочка, углубляющаяся в цитоплазму мышечной клетки; 3 — ка- канал ЭПС; 4 — ионы Са2+; 5 — двигательные белки мышеч- мышечной клетки; 6 — никотиновый рецептор; 7 — пресинапти- ческое окончание
3.6. АЦЕТИЛХОЛИН 133 В ЦНС ацетилхолин вырабатывается частью нейронов рети- ретикулярных ядер моста и интернейронами полосатого тела ба- зальных ганглиев и некоторых других локальных зон. Рассмат- Рассматривается роль этого медиатора в регуляции уровня бодрство- бодрствования, а также в системах памяти, двигательных системах. Доказана эффективность применения антагонистов ацетилхо- лина при ряде двигательных нарушений. Выделяясь из пресинаптического окончания, ацетилхолин действует на постсинаптические рецепторы. Эти рецепторы неоднородны и различаются локализацией и рядом свойств. Выделено два типа рецепторов (рис. 3.26): первый, помимо ацетилхолина, возбуждается под действием алкалоида табака никотина (никотиновые рецепторы), второй тип активируется ацетилхолином и токсином мухомора мускарином (мускари- новые рецепторы). Никотиновые рецепторы являются классическим приме- примером ионотропных рецепторов: их ионный канал входит в со- состав рецептора и открывается сразу после присоединения аце- Ц н 8 Рис. 3.25. Схема распределения медиаторов в перифериче- периферической нервной системе: 1 — нейроны ЦНС, образующие дви- двигательные нервы (мотонейроны); 2 — нейроны ЦНС, обра- образующие преганглионарные волокна парасимпатической нервной системы; 3 — нейроны ЦНС, входящие в состав симпатической нервной системы (три варианта строения); 4 — мышца; 5 — орган (парасимпатическая система); 6 — орган (симпатическая система); 7 — надпочечник (симпати- (симпатическая система); 8 — потовая железа (расширение сосудов, симпатическая система); м, н — мускариновые и никотино- никотиновые рецепторы; О — нейроны, вырабатывающие ацетилхо- ацетилхолин; # — нейроны, вырабатывающие норадреналин
134 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ тилхолина. Канал этот характеризуется универсальной про- проницаемостью для положительно заряженных ионов, но в обычных условиях (при открытии на фоне ПП) в связи с нико- никотиновыми рецепторами наблюдается в основном входящий Na+-TOK, вызывающий деполяризацию мембраны и возбужде- возбуждение нейрона. Никотиновые рецептры расположены на постсинаптиче- ской мембране поперечно-полосатых волокон скелетных мышц (нервно-мышечные синапсы); в синапсах вегетативных ганглиев и в меньшем количестве, чем мускариновые рецеп- рецепторы, в ЦНС. Областью, наиболее чувствительной к никоти- никотину, являются вегетативные ганглии, поэтому первые попытки курения приводят к значительным нарушениям в деятельнос- а) Ацх Ацх ю ц т\ Рис. 3.26. Схемы никотинового (с) и мускаринового (б) ре- рецепторов к ацетилхолину Ацх: 1 — рецептор; 2 — фермент; 3 — G-белок; 4 — вторичный посредник; 5 — ионный ка- канал; * — место сужения (створка) ионного канала
3.6. АЦЕТИЛХОЛИН 135 ти органов: скачкам артериального давления, тошноте, голо- головокружению. По мере привыкания сохраняется в основном симпатический компонент действия: никотин начинает рабо- работать преимущественно как стимулятор многих систем орга- организма. Присутствует также и центральное активирующее влияние (на головной мозг) ацетилхолина. Сверхдозы никоти- никотина E0 и более мг) вызывают резкое учащение сердцебиения, судороги и остановку дыхания. Во время курения никотин действует как слабый наркоти- наркотический препарат-стимулятор, вызывая развитие не только привыкания, но и зависимости. Наркотическая зависи- зависимость — это ситуация, когда организм включает поступаю- поступающий извне препарат в свой метаболизм, т. е. начинает «рас- «рассчитывать» на его постоянный приток. При отказе от препара- препарата происходит сбой в использующих его системах мозга: наблюдается резкое ухудшение самочувствия, депрессия {абс- {абстинентный синдром или синдром отмены)- Человеку, по- попавшему в зависимость, наркотик необходим уже не столько для того, чтобы почувствовать бодрость и эйфорию, сколько для возврата хотя бы к относительно нормальному уровню жизнедеятельности. Наиболее известным антагонистом никотиновых рецепто- рецепторов является тубокурарин — активное действующее начало яда некоторых южноамериканских растений. Основным «мес- «местом приложения» его влияния являются нервно-мышечные синапсы (рис. 3.27, вариант /). При этом происходит последо- последовательное расслабление и паралич мышц пальцев, затем глаз, рук и ног, шеи, спины и, наконец, дыхательных. Мускариновые рецепторы являются метаботропными (рис. 3.26, б); они связаны с G-белками, и присоединение к ним ацетилхолина приводит к синтезу вторичных посредников. Выделяют две основные локализации мускариновых ре- рецепторов: синапсы, образуемые постганглионарными (в основ- основном парасимпатическими) вегетативными волокнами и ЦНС. В первом случае в качестве вторичных посредников использу- используются инозитолтрифосфат и диацилглицерол; во втором — цГМФ. Ионные последствия возбуждения мускариновых ре- рецепторов весьма разнообразны: в сердце наблюдается увеличе- увеличение проводимости для ионов К+, что приводит к гиперполяри- гиперполяризации и снижению частоты сокращений; в гладких мышцах отмечаются изменения проводимости как для К+, так и для Na+ (возможна гипер- или деполяризация в зависимости от конкретного органа).
136 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ В ЦНС отмечается снижение проницаемости мембраны для К+ (деполяризация; возбуждающее действие), но синап- синапсы, содержащие мускариновые рецепторы, могут распола- располагаться как на тормозных, так и на возбуждающих нейронах коры и базальных ганглиев. В связи с этим последствия бло- блокады либо активации мускариновых рецепторов на поведен- поведенческом уровне оказываются очень индивидуальны; их выра- выраженность и направленность зависит от конкретной химиче- химической структуры того или иного препарата. Эффекты мускарина носят преимущественно парасимпа- парасимпатический характер: при отравлении мухоморами наблюдается тошнота, повышенное пото- и слюноотделение, слезотечение, боли в животе, снижение артериального давления и сердечной активности. Классическим антагонистом мускариновых рецепторов яв- является атропин — токсин белены и дурмана. Его перифериче- периферические эффекты прямо противоположны действию мускарина: происходит снижение тонуса мышц желудочно-кишечного тракта, учащается сердцебиение, прекращается слюноотделе- слюноотделение (сухость во рту), расширяются зрачки, наблюдаются и центральные эффекты (двигательное и речевое возбуждение, галлюцинации). Рис. 3.27. Варианты /—IV воздействия на работу нерв- нервно-мышечного синапса: / — на никотиновый рецептор (тубокурарин); // — на ацетилхолинэстеразу (прозерин); /77 — на выделение ацетилхолина (бета-нейротоксин); IV — путем выработки антител к никотиновому рецептору; 1 — везикулы с ацетилхолином; 2 — ацетилхолинэстераза; 3 — никотиновый рецептор
3.6. АЦЕТИЛХОЛИН 137 Инактивация ацетилхолина происходит непосредственно в синаптической щели. Ее осуществляет фермент ацетилхоли- нэстераза, разлагающий медиатор до холина и остатка уксус- уксусной кислоты, затем холин всасывается в пресинаптическое окончание и может вновь использоваться для синтеза ацетил- ацетилхолина. Ацетилхолинэстераза имеет активный центр, узнающий холин, и один активный центр, «отрывающий» ацетильную группу от исходной молекулы. Последний часто является мес- местом атаки специфических блокаторов (рис. 3.27, вариант //). Примером подобного блокатора служит прозерин (неостиг- мин), применяемый при миастении, которая встречается при- примерно у трех человек на тысячу (чаще у женщин). Симптома- Симптомами заболевания служат быстрая мышечная утомляемость, не- непроизвольное опускание век, замедленное жевание. Такие больные очень чувствительны к тубокурарину, а введение бло- блокаторов ацетилхолинэстеразы ослабляет патологические про- проявления. В настоящее время известно, что у значительной части больных миастенией число никотиновых рецепторов примерно на 70% меньше, чем в норме. Причина этого состо- состоит в том, что иммунная система больного вырабатывает анти- антитела на никотиновые рецепторы. Эти антитела ускоряют раз- разрушение рецепторов на мембране, ослабляя передачу в нерв- нервно-мышечном синапсе (рис. 3.27, вариант IV). Прозерин и сходные с ним препараты называют обратимы- обратимыми блокаторами ацетилхолинэстеразы, их действие прекра- прекращается через несколько часов после введения, кроме того, су- существуют необратимые блокаторы того же фермента. В этом случае вещество, нарушающее работу ацетилхолинэстеразы, вступает с белком в устойчивую химическую связь и выводит его из строя. Таким образом действуют фосфорорганические соединения, применяемые как препараты против насекомых (инсектициды): хлорофос, тиофос и сходные с ними соедине- соединения могут вызвать у человека сужение зрачков, потливость, снижение артериального давления, подергивания мышц. Еще более сильными агентами-блокаторами являются раз- различные нервно-паралитические газы (зарин): легко проникая через все барьеры организма, они вызывают судороги, потерю сознания и паралич. Смерть наступает от остановки дыхания. Для немедленного ослабления эффектов отравляющих газов рекомендуется использование атропина; для восстановления деятельности ацетилхолинэстеразы — особые вещества-реак- тиваторы, «отрывающие» блокатор от фермента.
138 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Другим примером разрушительного действия на ацетилхо- линергический (использующий ацетилхолин в качестве меди- медиатора) синапс являются нейротоксины змей. Например, яд коб- кобры содержит альфа-нейротоксин, необратимо связывающийся с никотиновым рецептором и блокирующий его, а также бе- та-нейротоксин, который тормозит выделение медиатора из пресинаптического окончания (рис. 3.27, варианты /, III). 3.7. НОРАДРЕНАЛИН Медиатор норадреналин относится к катехоламинам — производным аминокислоты тирозина. Тирозин — одна из не- незаменимых аминокислот, которые мы получаем только с пи- пищей. Цепочка химических превращений, ведущая к последо- последовательному образованию трех катехоламинов — дофамина, норадреналина и адреналина, представлена ниже: Тирозин (пищевая аминокислота, подвергается воздействию фермента тирозингидроксилазы) НО L-ДОФА (предшественник дофамина) НО НО Дофамин Норадреналин Адреналин СН2—СН—NH2 СООН СН2—СН—NH2 СООН СНо СНо он I ,СН—СН2—NH2
3.7. НОРАДРЕНАЛИН 139 Рис. 3.28. Схема распределения в головном мозге нейронов, вырабатывающих норадреналин: 1 — голубое пятно моста; 2 — межножковое ядро среднего мозга; 3 — распределение аксонов по ЦНС Ключевая и наиболее медленная стадия — превращение тирозина в L-ДОФА (диоксифенилаланин), где особое значе- значение имеет регулирующий фермент тирозингидроксилаза. Адреналин является гормоном надпочечников, а дофа- дофамин — медиатором ЦНС. Норадреналин играет важную роль в центральной и периферической нервной системе. На периферии норадреналин является медиатором боль- большинства постганглионарных симпатических синапсов. Воз- Воздействуя на внутренние органы, он конкурирует с эффектами ацетилхолина. В ЦНС норадреналин вырабатывается нейро- нейронами голубого пятна (мост) и межножкового ядра (средний мозг). Аксоны клеток этих небольших ядер в дальнейшем можно встретить в различных структурах головного и спинно- спинного мозга (рис. 3.28). Синтез норадреналина осуществляется в пресинаптиче- ских окончаниях, затем он переносится в пустые везикулы и хранится до момента выброса. Выделяясь в синаптическую щель, норадреналин действует на постсинаптические рецепто- рецепторы, которые неоднородны и подразделяются на два типа — альфа- и бета-адренорецепторы. Оба они являются метаботроп- ными, но разница состоит в том, что альфа-адренорецепторы в качестве вторичных посредников используют инозитолтри- фосфат (ИТФ), диацилглицерол (ДАТ) и ионы Са2+, а бета-ад- бета-адренорецепторы соединены с ферментом аденилатциклазой, продуцирующей циклический аденозинмонофосфат (цАМФ).
140 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Именно исследование бета-адренорецепторов позволило в свое время выявить существование системы вторичных посредни- посредников и описать основные ее свойства. Следствием активации адренорецепторов может быть изменение как натриевой, так и калиевой проводимости (возбуждающие либо тормозящие эффекты в зависимости от конкретного места расположения). Классическим агонистом альфа-адренорецепторов являет- является препарат фетанол, антагонистом — фентоламин (табл. 3.1). В случае бета-адренорецепторов наиболее известны агонист изадрин и антагонист пропранолол (синонимы — анаприлин, индерал, обзидан). НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА АЛЬФА- И БЕТА-АДРЕНОРЕЦЕПТОРОВ Таблица 3.1 Агонисты Антагонисты Вторичные посредники Примеры локализации Токсины, повреждающие G-белки Альфа-адрено- рецепторы Фетанол, эфедрин, нафтизин Фентоламин ИТФ, ДАГ, Са2+ Сосуды (сужение), ЖКТ, ЦНС Бета-адрено- рецепторы Изадрин, эфедрин Пропранолол цАМФ Бронхи (расширение), сердце, ЖКТ, ЦНС Токсины коклюша и холеры В случае симпатической нервной системы на каждом внут- внутреннем органе можно встретить альфа- или бета-адренорецеп- торы либо оба их типа. Альфа-рецепторы имеют большинство сосудов, которые сужаются под действием норадреналина и агонистов альфа-адренорецепторов, в результате чего повыша- повышается артериальное давление. Агонистами альфа-адренорецеп- альфа-адренорецепторов являются также препараты нафтизин (синоним — сано- рин) и галазолин: при нанесении на слизистую носа они сужа- сужают сосуды, прекращая насморк. Фентоламин, напротив, расширяет сосуды и снижает артериальное давление.
3.7. НОРАДРЕНАЛИН 141 Органами, содержащим только бета-адренорецепторы, яв- являются сердечная мышца и гладкие мышцы бронхов: норад- реналин и изадрин стимулируют деятельность сердца и рас- расширяют бронхи (последний эффект используется для ослабле- ослабления приступов бронхиальной астмы). С другой стороны, пропранолол является эффективным средством для лечения заболеваний, связанных с нарушениями сердечного ритма и гипертонической болезнью. Кратко перечислим влияния вегетативной нервной систе- системы на некоторые другие органы. Работа желудочно-кишечно- желудочно-кишечного тракта усиливается под действием парасимпатической сис- системы и ослабляется под действием симпатической (участвуют альфа- и бета-адренорецепторы). Сфинктеры (запирающие мышцы) кишечника и мочевого пузыря под влиянием симпа- симпатической нервной системы сокращаются (альфа-адренорецеп- торы). Выделение секрета слезных, слюнных и пищевари- пищеварительных желез зависит в основном от парасимпатической нервной системы и очень слабо — от симпатической. Потоот- Потоотделение управляется симпатической системой, но за счет постганглионарного выделения ацетилхолина. Вегетативное действие норадреналина существенно допол- дополняется гормональными эффектами адреналина, который секре- тируется надпочечниками и влияет на те же типы адренорецеп- торов. Выброс адреналина вызывается симпатической нерв- нервной системой. Следовательно, можно говорить о целостной реакции, которая возникает при стрессе, нагрузке, эмоциях, обусловлена катехоламинами и приводит системы организма в состояние готовности к оптимальному ответу. Прямое подкожное или внутривенное введение адреналина вызывает активацию как альфа-, так и бета-адренорецепторов (сужение сосудов и рост артериального давления; стимуляция деятельности сердца); введение норадреналина — активацию преимущественно альфа-адренорецепторов (влияет в основ- основном на давление). Внутривенное введение их предшественни- предшественника дофамина приводит к росту возбуждения симпатических синапсов и используется при острой сердечной и сосудистой недостаточности, шоках и других патологических состояни- состояниях. При этом дофамин не проникает через гематоэнцефаличе- ский барьер и не влияет на головной мозг, где работает в нор- норме в качестве медиатора. Норадренергические (вырабатывающие норадреналин в качестве медиатора) нейроны расположены в голубом пятне и межножковом ядре среднего мозга, их аксоны образуют чрез-
142 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ вычайно широкую сеть проекций, в результате чего соответст- соответствующие синапсы можно обнаружить в большой концентрации в разных отделах ЦНС от спинного до конечного мозга, в том числе в коре мозжечка и больших полушарий (содержат как альфа-, так и бета-адренорецепторы). Перечислим основные группы функций, реализуемых с их участием: 1) создание определенного уровня активации бодрствую- бодрствующей ЦНС (за счет прежде всего торможения центров сна); 2) участие в тормозной регуляции сенсорных потоков; обезболивающее (анальгетическое) действие, способное ярко проявляться при сильном стрессе; 3) регуляция уровня двигательной активности: норадре- нергические проекции способны ее повышать, выключая тор- тормозные интернейроны в моторных центрах; 4) участие в регуляции активности различных центров биологических потребностей и мотиваций (снижение уровня тревожности, повышение уровня агрессивности); 5) влияние на выраженность эмоциональных компонентов поведения: эмоции, возникающие в стрессовых условиях (опасность, значительная умственная и физическая нагруз- нагрузка), и эмоции, соответствующие таким понятиям, как «азарт», «удовольствие от риска»; в зависимости от индивиду- индивидуальной организации мозга значимость таких эмоций для конкретного человека может быть разной, но иногда — очень большой; 6) участие в процессах обучения (запоминания информа- информации), протекающих в корковых зонах ЦНС; в этом случае ак- активность норадренергических проекций регулируется центра- центрами положительного и отрицательного подкрепления мозга; выделение медиатора приводит к долговременным изменени- изменениям свойств синапсов в нейронных сетях коры больших полу- полушарий и мозжечка. Основные функции норадренергической системы показы- показывают, что, практически не участвуя в прямом проведении нервных сигналов, норадреналин способен модулировать по- потоки информации и регулировать общее состояние ЦНС. Лег- Легко представить последствия как избыточной, так и недоста- недостаточной активности норадренергической системы: в первом случае мы можем столкнуться с гиперактивностью и психоти- психотическими проявлениями, во втором — с апатией, депрессией, ухудшением памяти; в первом случае могут оказаться необхо- необходимыми препараты с нейролептическими свойствами, во вто- втором — антидепрессанты.
3.7.НОРЛДРЕНАЛИН 143 Обе эти группы препаратов способны влиять на активность норадренергической системы, но ситуация осложняется тем, что в регуляции уровня эмоций и двигательной активности, кроме норадреналина, участвуют и другие медиаторы, в частности, дофамин и серотонин. Большинство агонистов и антагонистов адренорецепторов являются синтетическими веществами, которые появились в результате работ с химически модифицированными молеку- молекулами адреналина и норадреналина. Из природных соедине- соединений, влияющих на эту медиаторную систему, известен эфед- эфедрин — алкалоид небольшого голосеменного кустарника эфед- эфедры, который действует как смешанный агонист альфа- и бета-адренорецепторов. В клинике он используется для повы- повышения артериального давления, расширения бронхов, расши- расширения зрачков, при насморке. При передозировке проявляют- проявляются центральные эффекты эфедрина — нервное возбуждение, бессонница, дрожание конечностей; в токсических дозах — судороги. Длительное применение эфедрина может вызвать привыкание. Обнаружено также, что симптомы коклюша и холеры раз- развиваются через периферические адренорецепторы: токсины, вырабатываемые соответствующими микроорганизмами, вы- выключают расслабляющее действие симпатической нервной системы на гладкую мускулатуру бронхов и кишечника. При этом непосредственной «мишенью» токсинов являются свя- связанные с адренорецепторами G-белки и система синтеза вто- вторичных посредников. В отличие от ацетилхолина, катехоламины мало разлага- разлагаются в синаптической щели, а в основном всасываются в пре- синаптическое окончание. Обратный захват норадреналина осуществляется особыми белками-насосами. Попав в преси- наптическое окончание, норадреналин может повторно «за- «загружаться» в везикулы, но может и разлагаться с помощью фермента моноаминоксидазы (МАО). Инактивация происхо- происходит внутри митохондрий, на внутренней мембране которых располагается МАО. Чрезвычайно важно, что этот фермент осуществляет разложение и других моноаминов — дофамина и серотонина. Оказалось, что использование блокаторов МАО позволяет повысить активность всех трех медиаторных сис- систем (антидепрессантные эффекты). Еще одним важным свойством норадренергического си- синапса является наличие в нем пресинаптических адреноре- адренорецепторов. Выделяемый в щель медиатор, воздействуя на них,
144 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Рис. 3.29. Схема регуляции деятельности норадренергиче- ского синапса: 1 — везикулы с норадреналином; 2 — пост- синаптический рецептор; 3 — белок-насос, осуществляю- осуществляющий обратное всасывание норадреналина; 4 — пресинапти- ческий рецептор, активизирующий тирозингидроксилазу (ТГ); 5 — молекулы норадреналина тем самым активирует систему вторичных посредников, что приводит к активации тирозингидроксилазы и ускорению синтеза норадреналина (рис. 3.29). Наличие пресинаптиче- ских рецепторов — частое свойство синапсов; они позволяют осуществлять обратную регуляцию активности нервной пере- передачи и увеличивать образование медиатора, если его выброс идет очень активно (как в случае норадреналина), либо, на- напротив, тормозить этот выброс (влияя на пресинаптические К+-каналы) в целях предохранения синаптической щели от перенасыщения медиатором. 3.8. ДОФАМИН Дофамин относится к катехоламинам. Дофаминергиче- ские нейроны встречаются в трех отделах головного мозга: черной субстанции (ее компактной части), покрышке среднего мозга и в различных ядрах гипоталамуса (рис. 3.30). В пери- периферической нервной системе его практически нет. Нейроны черной субстанции направляют аксоны к конеч- конечному мозгу, где образуются синапсы на клетках полосатого те-
3.8. ДОФАМИН 145 Рис. 3.30. Схема рас- распределения в голов- головном мозге нейронов, вырабатывающих до- дофамин, и распределе- распределение их аксонов: 1 — покрышка среднего мозга; 2 — черная суб- субстанция среднего моз- мозга; 3 — кора больших полушарий; 4 — ядра гипоталамуса; 5 — по- полосатое тело ла (скорлупа и хвостатое ядро, относящиеся к базальным ганглиям). Функция этих проекций состоит в поддержании общего уровня двигательной активности, обеспечении точнос- точности выполнения моторных программ, устранении непроизволь- непроизвольных движений. В случае дегенерации черной субстанции раз- развивается заболевание — паркинсонизм. Его основные симпто- симптомы состоят в затрудненном запуске движений (акинезия), патологически усиленном мышечном тонусе (ригидность), дрожании пальцев и головы (тремор). На начальной стадии заболевания преобладает один из симптомов; позже они ком- комбинируются, образуя характерный комплекс двигательных нарушений. Болезнь обычно прогрессирует в течение 10—20 и более лет. Причины дегенерации могут быть различными: генети- генетические аномалии, образование токсических продуктов окис- окисления дофамина, нарушение функции нейроглии и др. Из- Известно, что риск развития паркинсонизма увеличивается с возрастом, а также в результате различных экстремальных воздействий на ЦНС (механические удары, отравления, кли- клиническая смерть). Препараты, применяемые для лечения паркинсонизма, не устраняют его причин, а лишь облегчают тяжесть состояния, ослабляют симптоматику. Они делятся на две группы. К пер- первой относятся антагонисты центральных никотиновых и мус- кариновых рецепторов (например, циклодол и акинетон). Снижая активность ацетилхолинергических интернейронов полосатого тела, они способны значительно ослабить тремор.
146 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Вторая группа препаратов — это L-ДОФА (L-диоксифени- лаланин) и его производные (табл. 3.2). Таблица 3.2 ПСИХОТРОПНЫЕ ПРЕПАРАТЫ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ДОФАМИНЕРГИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ Препарат L-ДОФА Апоморфин Бромкриптин Фенамин, амфетамины Кокаин Аминазин Галоперидол Механизм действия, применение Препарат для лечения болезни Паркинсона Dj-.Dg-aroHHCT D2 -агонист Стимуляторы выброса дофамина Блокатор обратного захвата Антагонист дофаминовых и норадренали- новых рецепторов, нейролептик D2 -антагонист, нейролептик L-ДОФА является непосредственным предшественником дофамина в цепочке синтеза катехоламинов, а также хорошо проходит гематоэнцефалический барьер. Превращаясь в дофа- дофамин непосредственно в базальных ганглиях, он восполняет не- недостаток медиатора, возникший в результате дегенерации черной субстанции. Влияние препарата распространяется пре- преимущественно на симптомы ригидности и акинезии. Проекции нейронов покрышки направляются к корковым областям, обонятельной (древней) коре, гиппокампу, ассоци- ассоциативной лобной, премоторной, моторной, зрительной коре, часть аксонов контактирует с ядрами миндалины. Существо- Существование этой системы позволяет на структурном уровне подтвер- подтвердить участие дофамина в поддержании не только общего уров- уровня бодрствования мозга, но и тонуса высших центров, связан- связанных с сенсорным восприятием, управлением движениями, памятью, эмоциями. Дофаминергические нейроны гипоталамуса обладают ко- короткими аксонами; они формируют три вида проекций: к суб- таламическим ядрам, нейроэндокринным зонам и потребност- но-мотивационным центрам гипоталамуса.
3.8. ДОФАМИН 147 В первом случае речь идет о регуляции общей интенсив- интенсивности локомоции (т. е. ритмических движений, связанных с перемещениями в пространстве). Именно субталамические ядра отдают команду о начале локомоции, ее ускорении, пере- переходе с шага на бег. Второй тип проекций подразумевает влияние на уровень активности нейроэндокринных ядер самого гипоталамуса, а также гипофиза. Примером может служить тормозящее влия- влияние дофамина на секрецию гормона пролактина. Третий тип проекций отвечает за тормозящее влияние до- дофамина на различные биологически значимые потребности: пищевую, половую, оборонительную. Параллельно могут воз- возникать положительные эмоциональные переживания (дейст- (действие на центр положительного подкрепления гипоталамуса). Несмотря на многообразие эффектов (рис. 3.31), наиболее очевидной задачей дофаминергической системы является ре- регуляция двигательных функций. Управление возможно на уровне коры (ассоциативной и моторной), базальных гангли- ганглиев, субталамуса. В продолговатом мозге одна из врожденных В НОРМЕ Базальные ганглии: двигательная активность Кора больших полушарий: мышление, эмоции Х^ i Гипоталамус: гормональная регуляция Недостаток в ба- базальных ганглиях: паркинсонизм Избыток в коре больших полушарий: шизофрения Гормональные расстройства под действием наркотиков ПРИ ПАТОЛОГИИ Рис 3.31. Схема эффектов дофаминергической системы в норме и патологии
148 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ моторных реакций — рвотный рефлекс также находится под контролем этой медиаторной системы. Эмоции, возникающие при активации дофаминергических синапсов, часто связаны с движениями: удовольствие, получаемое от танца и выполне- выполнения сложного спортивного упражнения, чувство гибкости и легкости, радость от снятия усталости. Синтез дофамина протекает так же, как и норадреналина, но в дофаминергических нейронах цепочка химических пре- превращений тирозина останавливается на одно звено раньше. Далее происходит перенос медиатора в везикулы и выброс в синаптическую щель по мере надобности. В настоящее время обнаружено пять типов рецепторов к дофамину; все они являются метаботропными и связаны с аде- нилатциклазой. Наиболее распространены и важны первый и второй типы, названные соответственно Бгрецепторы и D2-pe- цепторы. D^-рецепторы составляют около 3/4 всех дофаминовых ре- рецепторов, их действие реализуется через активацию адени- латциклазы и рост синтеза цАМФ. У человека больше всего Dj-рецепторов в полосатом теле; много их в бледном шаре, миндалине, новой коре, гиппокампе. D1 -рецепторы примерно в 10 раз чувствительнее к дофамину, чем О2-рецепторы. Вместе с тем их блокада нейролептиками наступает при ис- использовании доз в 100—1000 раз больших, чем в случае D2-pe- цепторов. D2-peu,enmopbi составляют около 1/5 всех дофаминовых ре- рецепторов. Их влияние реализуется через торможение адени- латциклазы и снижение синтеза цАМФ. Больше всего D2-pe- цепторов также в полосатом теле; далее следуют бледный шар, миндалина, гиппокамп, таламус и новая кора. Несмотря на меньшее количество, роль Б2-рецепторов в ЦНС очень важ- важна. Именно через них реализуется влияние большинства ней- нейролептиков. Описано взаимодействие Т>г- и В2-рецепторов: стимуляция первых усиливает последствия специфической активации вторых. Агонисты дофаминовых рецепторов не всегда проявляют специфичность по отношению к Dr и Б2-типам. Таков апомор- фин, используемый как препарат, вызывающий рвоту и при- применяемый при пищевом отравлении (когда промывание же- желудка провести невозможно), а также для выработки услов- условно-рефлекторной отрицательной реакции на алкоголь (при лечении алкоголизма).
3.8. ДОФАМИН 149 Избирательный агонист Б2-рецепторов бромокриптин (си- (синоним — парлодел) применяется для подавления послеродо- послеродовой лактации. Предложен он и для использования при пар- паркинсонизме, а также для ослабления двигательных наруше- нарушений, вызываемых нейролептиками. Первым нейролептиком стал аминазин (иначе — хлорпро- мазин), открытый в начале 50-х годов. Применение нейролеп- нейролептиков позволяет контролировать самые сложные типы психопатологии — психозы, часто сопряженные с опасностью больного для окружающих и самого себя (сильное возбужде- возбуждение, в том числе маниакальное; агрессия, страхи, расстройст- расстройства сознания), поэтому второе название нейролептиков — ан- антипсихотические препараты. Аминазин и сходные с ним соединения относятся к хими- химической группе фенотиазинов и являются антагонистами дофа- минергических и центральных норадренергических рецепто- рецепторов. В связи с этим, кроме ослабления психотических прояв- проявлений, они вызывают также характерное снижение общего уровня активности ЦНС: введение аминазина вызывает уменьшение двигательной активности, эмоциональную ту- тупость (индифферентность), запоздалые реакции на внешние стимулы, однако не наблюдается помрачения сознания и на- нарушения мышления. Большие дозы фенотиазинов создают фон для развития дремотного состояния, они способны выз- вызвать депрессию и двигательные расстройства, сходные с про- проявлениями паркинсонизма. Следующим шагом в поисках более избирательных нейро- нейролептиков стало открытие бутирофенонов, представителем ко- которых является галоперидол — специфический антагонист Б2-рецепторов. Его избирательность позволяет эффективно блокировать маниакальные состояния и острый бред, не вы- вызывая у больных состояния вялости и апатии. Вместе с тем могут проявляться сходные с паркинсоническими двигатель- двигательные расстройства, что требует соответствующей фармакологи- фармакологической коррекции (например, с помощью циклодола). Существуют и другие группы нейролептиков, обладающие более «мягким» действием. Выбор конкретного препарата за- зависит от тяжести патологии, ее остроты, необходимости хро- хронического или периодического применения, индивидуальной переносимости. С данными о преимущественно дофаминергической приро- природе активности нейролептиков перекликаются и представле- представления о важной роли данной медиаторной системы в развитии
150 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ шизофрении: посмертный анализ мозга больных показывает значительное увеличение связывания антагонистов дофамина в различных структурах переднего мозга, что обусловлено по- повышением плотности дофаминовых рецепторов D2 и D4. Следовательно, происходящие при шизофрении изменения, не затрагивая процессы синтеза и выброса дофамина, значи- значительно (избыточно) повышают чувствительность к нему пост- синаптической мембраны. Особую группу психотропных препаратов составляют ве- вещества, стимулирующие выброс дофамина из пресинаптиче- ского окончания, в связи с чем уровень возбуждения ЦНС усиливается, уменьшается чувство утомления и потребность в сне, улучшается настроение, ощущается прилив сил. Все это позволило отнести препараты данной группы к психомотор- психомоторным стимуляторам. Их наиболее известным представителем является фенамин (сульфат амфетамина). Амфетамины уси- усиливают выброс не только дофамина, но и норадреналина, а также ослабляют их обратный захват. Войдя в медицинскую практику в начале века, амфетами- амфетамины использовались для лечения ожирения (как средства, сни- снижающие аппетит) и нарколепсии (болезни, при которой чело- человек неконтролируемо засыпает). Во время Второй мировой войны они широко применялись как стимуляторы. Сейчас ам- амфетамины используются в медицине редко, поскольку форми- формирование привыкания и зависимости возникает примерно через 2 месяца. Кроме того, по механизму действия они не устраня- устраняют необходимости в отдыхе, а лишь позволяют использовать резервные силы организма, что быстро ведет к физическому и психическому истощению. Наконец, существует значитель- значительное количество побочных эффектов на уровне сердечно-сосу- сердечно-сосудистой и эндокринной систем. Более мягким действием по сравнению с амфетаминами обладает психомоторный стимулятор сиднокарб, усиливаю- усиливающий деятельность в основном норадренергических структур ЦНС; его используют при астенических состояниях, абсти- абстинентных синдромах, задержках умственного развития у де- детей, после травм и инфекций головного мозга. В настоящее время он практически полностью заменил фенамин. Амфетамины же из разряда лекарств перешли в последние десятилетия в разряд допингов и наркотических препаратов. Первый всплеск употребления амфетаминов пришелся на 50-е (Япония, Швеция) и 60-е (США) годы. Употребление амфета- амфетаминов сначала вызывает ощущение физического благополу-
3.8. ДОФАМИН 151 чия, уверенности в себе; по мере привыкания человек вынуж- вынужден увеличивать и учащать приемы препарата, переходить от таблеток к инъекциям, затем наблюдаются психотические проявления (рост агрессивности, ощущение постоянной угро- угрозы извне), все более усиливается абстинентный синдром (синдром отмены). В случае отказа от приема длительность только острого периода абстинентного синдрома может со- составлять 2—3 месяца, часто происходит переход к «тяже- «тяжелым» наркотикам — морфину и героину. Отдельной группой наркотических препаратов являются метиловые амфетамины («экстази» и др.), по механизмам дей- действия более близкие к галлюциногенам (см. следующую главу). Кокаин — алкалоид, содержащийся в листьях южноаме- южноамериканского кустарника Erythroxylon coca. Его ярко выражен- выраженное влияние на нервную систему включает два компонента — местноанестезирующий и центральный. Как местный анасте- тик, кокаин применяется в практике отоларингологов при не- небольших операциях, не получая широкого распространения из-за высокой токсичности. Используется он и при операциях на роговице. В ЦНС кокаин функционирует как блокатор обратного за- захвата дофамина, в результате чего его эффекты оказываются сходными с эффектами амфетаминов. Еще в конце XIX века в аптеках свободно продавались стимулирующие вина и тони- тоники из коки, однако в начале XX века за распространением кокаина был установлен строгий контроль. Причиной этого стали многочисленные случаи развития кокаиновой зависи- зависимости. В 70-е годы на наркотическом рынке появился сравни- сравнительно дешевый кокаин, производимый в Колумбии и ряде других стран. Кроме того, была изобретена особо активная форма кокаина, предназначенная для курения, — «крэк». Все это привело к тому, что сегодня кокаин превратился в один из самых опасных и распространенных наркотиков. Попадая в организм через дыхательные пути, кокаин вы- вызывает очень сильные и приятные ощущения, имеющие, од- однако, небольшую длительность, т. е. по сравнению с амфета- амфетаминами он действует сильнее, но более короткое время. Влияние малых доз кокаина и амфетаминов сходно еще в большей степени. В случае кокаина гораздо выше опасность передозировки; более выражен психологический компонент зависимости; менее ярок — физиологический. Амфетамины, как и кокаин, истощают пресинаптические запасы дофами-
152 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ на: первые — усиливая выброс медиатора; второй — не давая ему возвращаться в везикулы. В последнем случае значи- значительная часть дофамина распадается прямо в синаптической щели. В норме инактивация дофамина (рис. 3.32) осуществляет- осуществляется тем же способом, который описан для норадреналина (об- (обратный захват, а затем повторная загрузка в везикулы либо разложение с помощью МАО). Отличие состоит в функции пресинаптических рецепторов. В случае дофамина их включе- включение тормозит активность синапса, т. е. уменьшает дальней- дальнейший выброс медиатора. Этот механизм позволяет нервным клеткам экономно расходовать запасы дофамина, но подразу- подразумевается, что чувствительность пре- и постсинаптических ре- рецепторов к дофамину тонко сбалансирована. Смещение этого баланса, вероятно, является причиной некоторых видов ши- шизофрении, при которых пресинаптические рецепторы «опаз- «опаздывают» с торможением выброса медиатора, поэтому оказы- оказывается полезным введение специфических агонистов преси- пресинаптических рецепторов (например, апоморфина в малых дозах). С другой стороны, блокада пресинаптических рецепто- рецепторов галоперидолом может увеличивать активность дофами- Кокаин Галоперидол Рис. 3.32. Схема регуляции деятельности дофаминергиче- ского синапса: 1 — везикулы с дофамином; 2 — постсинап- тический рецептор; 3 — белок-насос, осуществляющий об- обратное всасывание дофамина; 4 — пресинаптический ре- рецептор
3.9. СЕРОТОНИН 153 нергической передачи (особенно если на постсинаптической мембране находится минимальное количество О2-рецеп- торов). 3.9. СЕРОТОНИН Серотонин — медиатор, относящийся к группе моноами- моноаминов, к ней же принадлежат катехоламины и гистамин (см. главу 3.12). Образуется серотонин в результате химического преобразования аминокислоты триптофана. Триптофан (под действием фермента триптофангидроксилазы) I 5-гидрокситриптофан I Серотонин E-гидрокситриптамин) СН2—СН—NH2 СООН СН2—СН—NH2 СООН СНо СНо Триптофан является незаменимой пищевой кислотой, при- причем в растительных продуктах количество его незначительно; больше всего этого соединения в молочных продуктах. Ключе- Ключевая стадия превращения триптофана в серотонин катализиру- катализируется специальным ферментом триптофангидроксилазой. Являясь медиатором ЦНС, серотонин одновременно вы- выполняет важные функции в периферических органах: он рабо- работает как тканевой гормон, чья важнейшая функция — повы- повышение тонуса гладкой мускулатуры. Наиболее известно сосу- сосудосуживающее действие серотонина: оно сопровождается повышением проницаемости капилляров, что может приво- приводить к развитию отеков; сосудосуживающие эффекты серото- серотонина, развивающиеся в мягкой мозговой оболочке, способны
154 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ вызвать спазм артерий и развитие мигрени. Серотонин усили- усиливает моторику желудочно-кишечного тракта, тонус матки, бронхов. Много серотонина содержат тромбоциты — клетки крови, отвечающие за ее свертывание при повреждении сосуда. Вы- Выбрасываемый из тромбоцитов серотонин вызывает сужение со- сосуда в месте разрыва и способствует остановке кровотечения; ускоряет слипание тромбоцитов и формирование тромба; уча- участвует в развитии воспалительного ответа на повреждение тканей и клеток. В ЦНС серотонин синтезируют в основном нейроны, на- находящиеся в ядрах шва; последние расположены вдоль сред- средней линии продолговатого мозга, моста и среднего мозга (рис. 3.33). Большая часть аксонов из клеток направляется вперед к промежуточному и конечному мозгу, при этом особенно выде- выделяются следующие пути: к полосатому телу, лобной, темен- теменной и затылочной коре, поясной извилине; к миндалине, древней коре и гиппокампу; к медиальной зоне таламуса и яд- ядрам гипоталамуса; к черной субстанции, четверохолмию и центральному серому веществу среднего мозга. Часть серото- нинергических проекций заканчивается в спинном мозге. Приведенный список структур ЦНС настолько велик, что позволяет предположить влияние серотонина практически на все существенно важные стороны деятельности мозга. Дей- Действительно, по имеющимся данным, серотонин участвует в управлении уровнем бодрствования, работе сенсорных систем, связан с обучением и эмоционально-мотивационной сферой. Одновременно происходит сложное взаимодействие с эффек- Рис. 3.33. Схема распре- распределения в головном моз- мозге нейронов, вырабаты- вырабатывающих в качестве ме- медиатора серотонин: / — ядра шва; 2 — распреде- распределение аксонов ядер шва по структурам головно- головного мозга; 3 — проекции в спинной мозг
3.9. СЕРОТОНИН 155 тами катехоламинов. Так, в рамках системы сон — бодрство- бодрствование серотонин конкурирует с дофамином и норадренали- ном, вызывая снижение уровня возбуждения ЦНС. Ядра шва и связанное с ними центральное серое вещество рассматрива- рассматриваются как важнейшие центры сна, включение которых ведет в конечном итоге к общему торможению ЦНС. В случае сенсорных систем также наблюдается в основном тормозящее действие серотонинергических проекций. Извест- Известно анальгетическое (обезболивающее) влияние стимуляции ядер шва, дополняющее аналогичные эффекты норадренали- на. При этом в задних рогах спинного мозга наблюдается ак- активация тормозных интернейронов, в результате чего и осу- осуществляется регуляция передачи болевой чувствительности. В корковых сенсорных зонах описаны серотонинергические проекции к нейронам, непосредственно проводящим зритель- зрительные, тактильные и прочие сигналы. Функция этих проекций состоит в предотвращении избыточного распространения сен- сенсорного возбуждения по нейронным сетям («фокусировка» сигналов). Блокада этого механизма может сильно исказить процессы восприятия, вызвать сенсорные иллюзии и галлюци- галлюцинации (см. ниже об эффектах ЛСД). Сходное действие серото- серотонин оказывает и на ассоциативные зоны коры, делая процессы мышления более «организованными» (рис. 3.34). Каналы пе- передачи информации (КПИ) коры взаимодействуют друг с дру- другом при помощи коллатералей аксонов (прерывистые линии), оказывая взаимное возбуждающее влияние, которое является необходимым условием для нормального течения ассоциатив- ассоциативных процессов. Аксоны клеток ядер шва контролируют эти КПИ КПИ Рис. 3.34. Схема тор- тормозящего действия се- ротонина на передачу информации в нейрон- нейронных сетях коры боль- больших полушарий
156 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ влияния, удерживая нейронные сети коры в оптимальном для обработки информации состоянии. Область тормозных эффек- эффектов серотонинергических проекций на рис. 3.34 затемнена. Работая под управлением систем положительного и отри- отрицательного подкрепления, серотонинергические нейроны спо- способны участвовать в процессах обучения. В этом случае серо- тонин также дополняет эффекты норадреналина, вызывая долговременные изменения свойств корковых синапсов. Одна из существующих гипотез допускает разделение функций двух этих медиаторов: с серотонином в большей мере связана выработка навыков, позволяющих получить положительное подкрепление (пищевое, половое), а с норадреналином — вы- выработка навыков избегания отрицательного (например, боле- болевого) подкрепления. В случае влияния серотонина на центры потребностей, мо- мотиваций и эмоций с уверенностью можно говорить о седатив- ном (понижающем тревожность) действии и уменьшении ап- аппетита. Препараты, повышающие активность этой медиатор- ной системы, оказались весьма эффективны при некоторых видах депрессий. Синтез серотонина осуществляется преимущественно в пресинаптических окончаниях. Выделяясь в дальнейшем в синаптическую щель, серотонин связывается с соответствую- соответствующими рецепторами, которых в настоящее время известно 3 типа. Сокращенно они называются 5HTj-, 5HT2- и 5НТ3-ре- цепторы. Последний слабо представлен в ЦНС, поэтому под- подробнее остановимся только на свойствах рецепторов первого и второго типов. 5НТГ и 5НТ2-рецепторы являются метаботропными и со- сопряжены соответственно с аденилатциклазои и фосфолипазои С (ферментом, с помощью которого осуществляется синтез ди- ацилглицерола и инозитолтрифосфата). 5НТ2-рецепторы бо- более распространены на постсинаптических мембранах мозга, особенно высока их концентрация в лобной коре; несколько меньше 5НТ2-рецепторов в поясной извилине, гипоталамусе, миндалине. 5НТ,-рецепторы чаще являются пресинаптиче- скими. Будучи более чувствительными к серотонину, чем 5НТ2-тип, они способны эффективно блокировать его выброс в синаптическую щель. Этот механизм в целом аналогичен меха- механизму, описанному в случае дофамина. Кроме того, активация пресинаптических рецепторов снижает синтез серотонина.
3.9. СЕРОТОНИН 157 Специфические агонисты и антагонисты 5НТГ и 5НТ2-ре- цепторов имеют довольно узкое практическое применение. Например, 5HTj-агонисты лизурид и суматриптан использу- используются как противомигреневые препараты, а 5НТ2-блокатор кетансерин — при повышенном тонусе артерий и гипертони- гипертонических кризах. Однако существует еще одна группа веществ, действующих на серотониновые рецепторы. Это производные лизергиновой кислоты — алкалоиды паразитического гриба спорыньи. Они используются в клинике (для стимуляции мускулатуры матки и при мигрени) и одновременно являются представителями особой категории наркотических препара- препаратов — галлюциногенов. Из последних наиболее известен ди- этиламид лизергиновой кислоты (ЛСД, рис. 3.35). Термин «галлюциногены» в данном случае не совсем то- точен. Дело в том, что препараты этой группы не только вызыва- вызывают галлюцинации, но и влияют на настроение, мышление и другие психические функции. Хорошо характеризует специ- специфику их действия термин «измененное сознание». ЛСД в чистом виде выделен в 1938 г. В 1943 г. было обна- обнаружено его галлюциногенное действие. Случилось это непред- непреднамеренно, когда работавший с ним химик случайно насыпал а) в) С2Н5 с2н5 о :n— с Рис. 3.35. Паразитический гриб спорынья и один из ее токсинов — диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД): а — спорынья на колосе злака; б — плодовое тело спорыньи (увеличено); в — структурная формула ЛСД: затемнен фрагмент, соответствующий молекуле серотонина
158 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ небольшое количество вещества на кожу. ЛСД всосался и выз- вызвал сначала «возбуждение, сопровождаемое легким головок- головокружением», а затем «непрерывный поток фантастических картин с интенсивной игрой красок». В дальнейшем ЛСД привлек к себе внимание психиатров. Предполагалось, что его прием сделает пациентов более доступными для психотера- психотерапевтического лечения. В 60-е годы только в США этот нарко- наркотик попробовали не менее 2 млн человек, и возникло особое понятие «кислотной культуры». Затем, по мере накопления данных о негативных последствиях приема ЛСД, его потреб- потребление стало падать. Реакция на ЛСД очень индивидуальна. Однако во всех слу- случаях наблюдается нарушение зрительного восприятия. Формы окружающих предметов выглядят карикатурно-искаженны- карикатурно-искаженными; цвета — очень красочными и контрастными. Происходит изменение соматического восприятия: может появиться ощу- ощущение легкости или тяжести в теле и конечностях, ощущение «уменьшения» или «увеличения» частей тела. Очень разнооб- разнообразны эмоциональные реакции — от эйфории до ужаса. Мыш- Мышление приближается к детскому типу, снижается способность к абстракции. При углублении эффекта наркотика происходит постепенное отключение субъекта от реального мира; возника- возникают разнообразные зрительные галлюцинации (в том числе при действии стимулов других модальностей, например, слухо- слуховых). Все это происходит на фоне сильных эмоций и изменен- измененного мышления. Понимание «сути вещей», озарения, прихо- приходящие под влиянием ЛСД, представляются очень важными и значительными. Однако, когда действие наркотика прекратит- прекратится, они, скорее всего, окажутся банальными либо очевидно ложными. Механизм действия ЛСД и родственных ему препаратов связан в большинстве случаев с блокадой постсинаптических серотониновых рецепторов, возможна также активация пре- синаптических рецепторов. В итоге наблюдаются различные варианты активации систем, в обычном состоянии блокируе- блокируемых серотонинергическими проекциями. Зрительные галлю- галлюцинации являются следствием неадекватной работы затылоч- затылочной коры; нарушения эмоций и мышления — сбоями, возни- возникающими в гиппокампе, поясной извилине, гипоталамусе, лобной коре. Побочные эффекты серотонинергических галлюциногенов весьма значительны. Важнейшая проблема — вызываемые ими панические и параноидальные реакции (во время «плохих
3.9. СЕРОТОНИН 159 путешествий»). Их вероятность растет с увеличением дозы препарата, а также в случае, если употребляющий галлюци- галлюциноген человек находится в стрессовой ситуации, чего-то боит- боится. Протекая на сильном эмоциональном фоне, галлюцинации могут очень прочно фиксироваться в памяти. Это способно привести к их самопроизвольному возврату спустя недели и даже месяцы после приема ЛСД. Наконец, возможно развитие длительных расстройств психики (особенно на фоне уже имеющейся психопатологии). Серотонин, как и катехоламины, возвращается в преси- наптическое окончание с помощью механизма обратного вса- всасывания. Деградация медиатора идет с помощью все той же МАО. Ослабляя обратный захват либо блокируя МАО, можно достичь активации серотонинергических синапсов. При этом воздействие на МАО приведет к параллельной активации и катехоламинергических систем. Блокаторы МАО, усиливаю- усиливающие работу сразу трех медиаторов-моноаминов (серотонина, норадреналина и дофамина), образуют отдельное семейство психотропных препаратов — антидепрессантов. Снижение активности моноаминергических систем при депрессии обнаружено достаточно давно. Первой попыткой исправить положение стало создание необратимых блокато- ров МАО. Вступая в прочную химическую связь с ферментом, они выводят его из строя. Последствия такого воздействия со- сохраняются в течение нескольких дней (и даже недель) — пока не произойдет синтез новых молекул моноаминоксидазы. Примером препарата, обладающего таким весьма «грубым» механизмом действия, может служить ниаламид. В настоящее время предпочтение отдается обратимым блокаторам МАО — пиразидолу и инказану. Наряду с небольшой по продолжи- продолжительности антидепрессантной активностью, они обладают и определенным психостимулирующим действием. Препараты этого класса применяются при различных видах депрессий: маниакально-депрессивном психозе, тревожно-депрессивной и тревожно-бредовой симптоматике, депрессиях с психомо- психомоторной заторможенностью (табл. 3.3). Второй категорией антидепрессантов являются блокаторы обратного захвата норадреналина, дофамина и серотонина. Такие соединения, как имипрамин, амитриптилин, азафен, не обладают четкой избирательностью и активируют состоя- состояние всех трех моноаминергических систем. Последние два из них не оказывают психостимулирующего действия, что уменьшает вероятность побочных эффектов. Особый интерес
160 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ПРЕПАРАТЫ-АНТИДЕПРЕССАНТЫ И МЕХАНИЗМЫ ИХ ДЕЙСТВИЯ Таблица 3.3 Препарат Ниаламид Пиразидол, инказан Имипрамин, амитриптилин, азафен Тразодон, флуоксетин (прозак) Механизм действия Необратимый блокатор МАО Обратимые блокаторы МАО Неизбирательные блокаторы обратного захвата моноаминов Избирательные блокаторы обратного захвата серотонина представляют препараты, способные ослаблять обратный за- захват только серотонина. Такие из них, как тразодон и флуок- флуоксетин (синоним — прозак), оказались избирательно активны по отношению к депрессиям, сопровождающимся страхом. Применяемые в малых дозах, они способны повысить уверен- уверенность в себе, устранить чуство скованности при общении с другими людьми — т. е. сделать человека социально актив- активным, контактным, коммуникабельным. ЗЛО. ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА (ГЛУТАМАТ) Исторически сложилось так, что первыми открытыми ме- медиаторами стали ацетилхолин и моноамины. Это обусловлено их широким распространением в периферической нервной системе (по крайней мере, в случае ацетилхолина и норадре- налина). Однако далеко не они являются наиболее часто встречающимися медиаторами ЦНС. Более 80% нервных кле- клеток головного и спинного мозга используют в качестве меди- медиаторов вещества-аминокислоты, которые переносят основную часть сенсорных, двигательных и прочих сигналов по нейрон- нейронным сетям (возбуждающие аминокислоты), а также осуществ- осуществляют управление таким переносом (тормозные аминокисло- аминокислоты). Можно сказать, что аминокислоты реализуют быструю передачу информации, а моноамины и ацетилхолин создают общий мотивационно-эмоциональный фон и «наблюдают» за уровнем бодрствования. Существуют и еще более «медлен-
3.10. ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА (ГЛУТАМАТ) 161 ные» уровни регуляции деятельности мозга — это системы нейропептидов и гормональные влияния на ЦНС. По сравнению с образованием моноаминов синтез медиато- медиаторов-аминокислот является для клетки более простым процес- процессом, и все они несложны по химическому составу. Медиаторы этой группы характеризуются большей специфичностью си- наптических эффектов — либо конкретному соединению при- присущи возбуждающие свойства (глутаминовая и аспарагиновая кислоты), либо тормозные (глицин и гамма-аминомасляная кислота — ГАМК). Агонисты и антагонисты аминокислот вы- вызывают более предсказуемые эффекты в ЦНС, чем агонисты и антагонисты ацетилхолина и моноаминов. С другой стороны, воздействие на глутамат или ГАМК-ергические системы не- нередко приводит к слишком «широким» изменениям во всей ЦНС, что создает свои трудности. Главным возбуждающим медиатором ЦНС является глу- глутаминовая кислота. В нервной ткани взаимные превраще- превращения глутаминовой кислоты и ее предшественника глутамина выглядят следующим образом: NH2 '2c—сн2—сн2—ch—c! о Глутамин ~ i * В глиальных клетках В пресинаптических . (после захвата окончаниях j | из синаптической щели) ¦/^ Г^ХТ OXJ /^XJ Г4 I OH NH2 Глутаминовая кислота Будучи заменимой пищевой аминокислотой, она широко распространена в самых разных белках, и ее суточное потреб- потребление составляет не менее 5—10 г. Однако глутаминовая кис- кислота пищевого происхождения в норме очень плохо проникает через гематоэнцефалический барьер, что предохраняет нас от серьезных сбоев в деятельности мозга. Практически весь глу-
162 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ тамат, необходимый ЦНС, синтезируется прямо в нервной тка- ткани, но ситуация усложняется тем, что данное вещество являет- является также промежуточной стадией в процессах внутриклеточно- внутриклеточного обмена аминокислот. Поэтому нервные клетки содержат много глутаминовой кислоты, лишь небольшая часть которой выполняет медиаторные функции. Синтез такого глутамата происходит в пресинаптических окончаниях; основной источ- источник-предшественник — аминокислота глутамин. Выделяясь в синаптическую щель, медиатор действует на соответствующие рецепторы. Разнообразие рецепторов к глу- глутаминовой кислоте чрезвычайно велико. В настоящее время выделяют три типа ионотропных и до восьми типов метабот- ропных рецепторов. Последние менее распространены и менее изучены. Их эффекты могут реализоваться как путем подав- подавления активности аценилатциклазы, так и через усиление об- образования диацилглицерола и инозитолтрифосфата. Ионотропные рецепторы к глутаминовой кислоте получи- получили свои названия по специфическим агонистам: NMDA-рецеп- торы (агонист К-метил-Б-аспартат), АМРА-рецепторы (аго- нист альфа-аминогидроксиметилизоксанолпропионовая кис- кислота) и каинатные (агонист каиновая кислота). Сегодня наибольшее внимание уделяется первому из них. NMDA-pe- цепторы широко распространены в ЦНС от спинного мозга до коры больших полушарий, больше всего их в гиппокампе. Рецептор (рис. 3.36) состоит из четырех белков-субъединиц, имеющих два активных центра для связывания глутамино-
3.10. ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА (ГЛУТАМАТ) 163 вой кислоты / и два активных центра для связывания глици- глицина 2. Эти же белки формируют ионный канал, который мо- может блокироваться ионом магния 3 и канальными блокато- рами 4. Функция глицина состоит в усилении ответов NMDA-pe- цептора. Происходит это при низких концентрациях амино- аминокислоты — меньших, чем необходимо для проявления собст- собственных медиаторных свойств глицина. Сам по себе глицин постсинаптических потенциалов не вызывает, но при полном отсутствии глицина их не вызывает и глутамат. Ионный канал NMDA-рецептора проходим для ионов Na+, К+, Са2+ (в этом его сходство с никотиновым рецептором). На уровне потенциала покоя через него могут осуществлять дви- движение ионы натрия и кальция. Однако их токи оказываются выключены, если канал заблокирован ионом Mg2+ (что обычно наблюдается в некоторое время «на работавшем» синапсе). При поляризации мембраны нейрона до уровня примерно -40 мВ происходит выбивание магниевой пробки и рецептор переходит в активное состояние (рис. 3. 37, а). Такая деполя- деполяризация в реальных условиях наблюдается на фоне срабаты- срабатывания других (не-NMDA) рецепторов к глутаминовой кислоте. Возврат «магниевых пробок» может занимать несколько ча- часов, и в течение всего этого периода соответствующий синапс будет сохранять повышенную активность, т. е. при появлении глутаминовой кислоты (ГлК) каналы NMDA-рецепторов будут Рис. 3.37. Схема срабатывания NMDA- рецептора: выбивание Mg2+ -пробки (а) приводит к переходу рецептора в рабочее состояние (б) /Вход*Га+ / иСа2+ \ Развитие ВПСП. Активация ферментов
164 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ открываться, создавая условия для входа Na+ и Са2+ (рис. 3.37, б). Данное явление лежит в основе одного из типов кратковременной памяти и называется долговременной по- тенциацией. Канальные блокаторы кетамин, дизоцилпин (синоним — МК-801) и другие перекрывают канал NMDA-рецептора и пре- прерывают идущие через него ионные токи. При этом в одних случаях наблюдается прочное установление «пробки», и соот- соответствующий препарат оказывается стабильно связан с внут- внутренней поверхностью канала; в других случаях блокада ока- оказывается потенциал-зависимой, и молекулы препарата ведут себя, подобно ионам Mg2+, покидая канал при деполяризации мембраны. Последний вариант оказался наиболее перспектив- перспективным с точки зрения клинического применения. Вход через канал NMDA-рецепторов ионов Na+ и Са2+ оз- означает, что в итоге возникнет не только ВПСП, но и ряд мета- метаболических изменений в цитоплазме постсинаптического ней- нейрона, поскольку ионы кальция способны регулировать де- деятельность многих внутриклеточных ферментов, в том числе связанных с синтезом других вторичных посредников. Избы- Избыточная активация этого механизма может быть опасна: если каналы NMDA-рецепторов открыты слишком долго, в клетку войдет очень много Са2 и произойдет чрезмерная активация внутриклеточных ферментов, а взрывообразный рост интен- интенсивности обмена веществ может привести к повреждению и да- даже гибели нейрона. Подобный эффект определяется как нейро- токсическое действие глутамата. С ним приходится считаться при различных видах перевозбуждения нервной системы, осо- особенно велика вероятность таких повреждений у людей с врож- врожденными нарушениями внутриклеточного транспорта и свя- связывания ионов кальция (например, их переноса из цитоплаз- цитоплазмы в каналы ЭПС). В редких случаях наблюдается нейротоксическое действие глутамата, принимаемого с пищей: плохо проходя из крови в нервную ткань, он все же способен частично проникать в ЦНС в тех зонах, где гематоэнцефалический барьер ослаблен (гипо- (гипоталамус и дно четвертого желудочка — ромбовидная ямка). Возникающие при этом активационные изменения использу- используют в клинике, назначая по 2—3 г глутамата в сутки при за- задержках психического развития, истощении нервной систе- системы. Кроме того, глутамат широко используется в пищевой промышленности как вкусовая добавка (имеет мясной вкус) и входит в состав многих пищевых концентратов. Очень богаты
3.10. ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА (ГЛУТАМАТ) 165 им также некоторые восточные приправы, изготовленные из морской капусты. Человек, съевший несколько блюд японской кухни, может одномоментно получить 10—30 г глутамата; по- последствиями этого нередко становятся активация сосудодвига- тельного центра продолговатого мозга, рост артериального дав- давления и учащение сердцебиения. Это состояние опасно для здо- здоровья, поскольку может вызвать сердечный приступ и даже инфаркт. В более тяжелом случае происходит локальная гибель нейронов, «перенасытившихся» кальцием. Развитие таких оча- очагов нейродегенерации напоминает по форме микроинсульт. Поскольку глутамат как медиатор ЦНС распространен очень широко, эффекты его агонистов и антагонистов захваты- захватывают многие системы мозга, т. е. они очень генерализованы. Типичным следствием введения агонистов является заметная активация ЦНС — вплоть до развития судорог. Особенно из- известна в этом смысле каиновая кислота — токсин одной из во- водорослей Японского моря, вызывающий в больших дозах де- дегенерацию глутаматергических нейронов (табл. 3.4). Антагонисты глутаминовой кислоты в норме оказывают тормозящее действие на работу мозга и способны избиратель- избирательно снижать патологическую активность ЦНС. Препараты этой группы эффективны при эпилепсии, паркинсонизме, болевых синдромах, бессоннице, повышенной тревожности, некото- некоторых видах депрессии, после травм и даже при болезни Альц- геймера. Однако конкурентные антагонисты NMDA-рецепто- ров пока не нашли клинического применения в силу слишком большой генерализованности изменений. Наиболее перспек- перспективной группой оказались блокаторы ионных каналов, при- причем не связывающиеся с каналом слишком прочно (например, амантадин, будипин, мемантин). Внедрение этих препаратов во врачебную практику в на- настоящее время только начинается. Они особенно эффективны в ситуациях избыточной активности NMDA-рецепторов, кото- которые возникают как результат недостаточно прочного удержа- удержания магниевых пробок; в этих же целях пытаются использо- использовать блокаторы места связывания глицина с NMDA-рецепто- ром (ликостинел). Другое соединение, уже получившее практическое приме- применение, — ламотриджин. Механизм его действия, тормозящего глутаматергическую систему, заключается в стабилизации пресинаптических мембран, поэтому выделение медиатора в синаптическую щель заметно снижается. Ламотриджин —
166 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Таблица 3.4 ВЕЩЕСТВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИХ СИНАПСОВ Вещество Каиновая кислота Кетамин (калипсол), фенциклидин Амантадин, будипин, мемантин Глицин Ликостинел Ламотриджин Механизм действия Агонист глутамата, в больших дозах — нейротоксин Прочная блокада ионного канала NMDA-рецептора Потенциал-зависимая блокада ионного канала NMDA-рецептора Необходим для срабатывания NMDA-рецептора; усиливает ответ на глутаминовую кислоту Блокатор места связывания глицина Стабилизирует пресинаптические мембраны, уменьшая выброс глутами- новой кислоты перспективный- противоэпилептический препарат, особенно при сочетании с агонистами ГАМК. Особой категорией веществ, связанных с деятельностью NMDA-рецепторов, являются «прочные» блокаторы их ионных каналов. Наиболее известен среди цих кетамин (синоним — калипсол), который используется в клинике как препарат, оказывающий мощное анальгезирующее действие, а также вызывающий быстрый наркоз. Побочный эффект кетамина — появление галлюцинаций. Галлюциногенное действие значи- значительно более выражено у второго препарата данной группы — фенциклидина, который исходно также использовался для обезболивания, но затем перестал применяться, сохранив «значение» как наркотик-галлюциноген. Эффекты фенциклидина своеобразны: в малых количест- количествах он вызывает эйфорию и онемение; речь и координация движений нарушаются. При увеличении дозы возникает зату- маненность зрения, однако визуальные (зрительные) галлюци- галлюцинации редки (в отличие от ЛСД), и в основном происходит на- нарушение осязательных ощущений. Действие наркотика про- продолжается обычно несколько часов, но после больших доз —
3.11. ГАММА-АМИНОМАСЛЯНАЯ КИСЛОТА 167 до нескольких дней и даже недель. Вероятность «плохих путе- путешествий» очень велика — 50—80%. Нередко наблюдаются вспышки ярости и даже депрессии, требующие дальнейшего медицинского вмешательства. Инактивация глутаминовой кислоты осуществляется в ос- основном путем захвата глиальными клетками (астроцитами), затем происходит превращение ее в глутамин, аспарагиновую кислоту и ГАМК. Аспарагиновая кислота (аспартат) также может выполнять в ЦНС функции возбуждающего медиатора. По своей химической формуле она очень близка к глутамино- глутаминовой и действует на те же рецепторы. 3.11. ГАММА-АМИНОМАСЛЯНАЯ КИСЛОТА Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) — непищевая ами- аминокислота. Это значит, что она не входит в состав белков и полностью синтезируется в организме. В пищевых аминокис- аминокислотах NH2-rpynna находится в альфа-положении (у ближай- ближайшего к СООН-концу атома углерода); у ГАМК — в более уда- удаленном гамма-положении. Взаимные превращения ГАМК и глутаминовой кислоты представлены ниже: СНо—СНл СНп С. NH2 В пресинаптических окончаниях (после обратного всасывания из синаптической щели; фермент ГАМК — трансфераза) ,0 ОН ГАМК О, ^С СН СН2 2 ^ NH2 Глутаминовая кислота В пресинаптических окончаниях(после чего ГАМК загружа- загружается в везикулы) ,0 ОН
168 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ГАМК, как и глутаминовая кислота, играет важную роль в процессах внутриклеточного обмена веществ (в ферментатив- ферментативном разложении глюкозы); лишь небольшая часть ГАМК вы- выполняет функции медиатора. В этом случае она легко образу- образуется из глутаминовой кислоты прямо в пресинаптических окончаниях, затем происходит перенос ГАМК в везикулы и выброс в синаптическую щель. В ЦНС ГАМК распространена не меньше, чем глутамино- глутаминовая кислота; в основном она является медиатором относитель- относительно мелких нейронов, осуществляющих тормозную регуляцию проведения сигналов. Иными словами, передачу информации от одной нервной структуры к другой осуществляют прежде всего глутаматергические нейроны (релейные, тип Гольджи I). Функции торможения реализуются преимущественно за счет деятельности ГАМК-ергических клеток. В некоторых зонах ЦНС встречаются и крупные нейроны, использующие ГАМК в качестве медиатора: клетки Пуркинье (кора мозжечка) и клетки бледного шара, играющие важную роль в работе дви- двигательных центров головного мозга. Выделяясь в синаптическую щель, ГАМК действует на со- соответствующие рецепторы: ГАМКЛ и ГАМКБ. Первый опреде- определяется как постсинаптический, ионотропный, он содержит С1 -каналы; второй — как пост-, так и пресинаптический, ме- таботропный, он влияет на К+-каналы (табл. 3.5). Более ис- исследованы ГАМКА-рецепторы, агонисты которых нашли ши- широкое применение в клинической практике. Антагонисты ГАМКА-рецепторов бикукулин и пикротоксин — сильные яды, которые вызывают судороги. При этом бикукулин (ток- (токсин растений семейства дымянковых) является конкурент- конкурентным антагонистом и связывается с местом присоединения к рецептору самой ГАМК. Пикротоксин — неконкурентный ан- антагонист и блокирует С1 -канал. Структура ГАМКА-рецептора очень сложна: кроме актив- активного центра, присоединяющего собственно медиатор, он со- содержит места связывания других веществ. Наиболее извест- известными в их ряду являются барбитураты и бензодиазепины, увеличивающие время открывания СГ-каналов. В результате этого наблюдаются агонистические по отношению к ГАМК эф- эффекты. Это позволило широко использовать бензодиазепины и барбитураты в клинике как успокоительные (седативные средства и транквилизаторы), противоэпилептические, снотворные препараты, средства для наркоза. Нередко все
3.11. ГАММА-АМИНОМАСЛЯНАЯ КИСЛОТА 169 РЕЦЕПТОРЫ ГАМК И ВЛИЯЮЩИЕ НА НИХ ПРЕПАРАТЫ Таблица 3.5 Рецептор Тип рецептора Тип ионного канала Агонисты Антагонисты Эндогенные антаго- антагонисты Другие препараты, активирующие ГАМК-ергические синапсы ГАМКА Ионотропный Хлорный Барбитураты, бензодиазепины Бикукулин, пикротоксин Эндозепины, бета- карбол ины ГАМКБ Метаботропный Калиевый Баклофен Вальпроаты (блокаторы ГАМК-трансферазы), аминалон, оксибу- тират, фенибут эти эффекты способно вызвать одно и то же вещество по мере увеличения используемой дозы. Барбитураты были открыты в конце XIX века. Все они — производные барбитуровой кислоты: циклического соедине- соединения, содержащего внутри шестичленного кольца 2 атома азота. В их названиях обычно присутствует суффикс «-ал». Барбиту- Барбитураты действуют во всех отделах мозга, вызывая генерализован- генерализованное торможение, поэтому они чаще используются как средства для наркоза (гексенал), а также при тяжелых формах эпилеп- эпилепсии (фенобарбитал, бензонал). Барбитураты-снотворные (барби- тал, нембутал) в настоящее время находят все меньшее приме- применение, поскольку вызываемый ими сон отличается от естест- естественного (уменьшается выраженность парадоксальной стадии). После такого сна может наблюдаться сильная заторможен- заторможенность, нарушение скорости реакции и координации движений. Длительное применение барбитуратов вызывает зависи- зависимость, при этом синдром отмены проявляется в виде бессонни- бессонницы, беспокойства, а в тяжелых случаях — бреда и судорог. Прием барбитуратов совместно с алкоголем усиливает их дей- действие, в результате возможна передозировка, приводящая к остановке дыхания.
170 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Перечисленные недостатки барбитуратов вызвали поиск более избирательно действующих агонистов ГАМК. В резуль- результате в начале 50-х годов появились бензодиазепины, содержа- содержащие в своей структуре три сложным образом соединенных кольца. Их названия нередко содержат суффиксы «-ам» и «-ум». Бензодиазепины действуют в основном на конечный мозг. Используясь как снотворные препараты (нитразепам), они увеличивают глубину и продолжительность сна, но избы- избыточное их количество, как и в случае барбитуратов, может легко привести к дневной заторможенности. Особенно это важно для людей, чья работа связана с повышенным уровнем внимания и необходимостью быстрого реагирования (водите- (водители транспорта). Как противосудорожные препараты бензодиазепины при- применяются при более легких формах эпилепсии по сравнению с барбитуратами. В таких случаях важно не только снизить ве- вероятность припадков, но и сохранить ЦНС в работоспособном состоянии. Следовательно, оптимальным вариантом является не генерализованное торможение мозга, а избирательное сни- снижение активности нейронов эпилептического очага. Эпилептический очаг представляет собой постоянно воз- возбужденную область ЦНС. Причины этого возбуждения могут быть самыми разными: последствия травмы и кровоизлияния в мозг, повышенное внутричерепное давление, локальная ги- гибель или недоразвитие тормозных интернейронов. Периодиче- Периодически «вырываясь» из эпилептического очага, нервное возбуж- возбуждение может широко распространяться по мозгу, вызывая припадок. Выделяют большие и малые припадки. При большом припадке {grand mal) происходит потеря со- сознания, падение человека и развитие тонических судорог (на- (напряжение всех мышц, сопровождающееся остановкой дыха- дыхания; изгиб тела, часто прикусывается язык; длятся 20—30 с). Тонические судороги сменяются клоническими (ритмические подергивания головы и конечностей; 1—2 мин). После пре- прекращения судорог сознание восстанавливается не сразу. При малом припадке (petit mal) наблюдается кратковре- кратковременное (несколько секунд) выключение сознания. При этом человек может сохранить предшествовавшую позу (сидеть, стоять, идти), но не всегда знает, что с ним произошло. Окру- Окружающие могут заметить малый припадок по «отключению» больного от разговора, падению предмета из его рук, застыв- застывшему выражению лица. На электроэнцефалограмме в этот мо- момент зарегистрируется характерная «спайк-волна», представ-
3.11. ГАММА-АМИНОМАСЛЯНАЯ КИСЛОТА 171 ляющая собой чередование высокоамплитудных быстрых и медленных волн (рис. 3.38). К тяжелым последствиям эпилепсии относятся и так назы- называемые «эпилептические сумерки» — помрачение сознания с наплывом зрительных и слуховых галлюцинаций, бредом. Двигательная активность при этом сохраняется, а под влия- влиянием болезненных переживаний возможны агрессивные дей- действия. У многих больных возникают периодические измене- изменения настроения (дисфории) — состояния беспокойства, злоб- злобности, придирчивости или, наоборот, оживления и веселости. Сумеречные состояния и дисфории рассматриваются как за- замещающие эпилептический припадок явления, позволяющие «разрядиться» скопившемуся патологическому возбуждению. При легких формах эпилепсии изменения психики неве- невелики, а припадки редки (не чаще 1 раза в год). При тяжелых формах в день может наблюдаться 5—10 больших припадков. В особо тяжелых случаях заболевание не удается ослабить фармакологическими препаратами, и последней возможно- возможностью является хирургическое устранение очага эпилептиче- эпилептической активности (вплоть до удаления целого полушария). В последнее время особенно эффективным для облегчения состояния эпилептических больных считается совместное вве- введение агонистов ГАМК (бензодиазепинов) и антагонистов глу- таминовой кислоты (ламотриджина). В этом случае состояние нервной системы корректируется сразу с двух сторон — за ЭЭГ очага эпилептической активности ЭЭГ здорового участка мозга Рис. 3.38. Электроэнцефалографическое проявление мало- малого эпилептического припадка в виде комплексов «спайк- волна»: / — спайк; 2 — волна
172 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ счет усиления тормозных и ослабления возбуждающих про- процессов. Такой подход позволяет свести к минимуму побочные эффекты, что чрезвычайно важно для сохранения нормально- нормального работоспособного состояния мозга пациентов с легкими формами эпилепсии. Термин «транквилизаторы» происходит от латинского «делать спокойным». Их основной эффект— уменьшение эмоциональной напряженности, тревоги и страха. В современ- современной литературе для препаратов этой группы используется также термин «анксиолитики» (от anxiety — тревожность). Транквилизаторы могут применяться в качестве противосудо- рожных препаратов; на их фоне облегчается сон и усиливает- усиливается действие снотворных препаратов и анальгетиков. Транквилизаторы отличаются от нейролептиков тем, что практически не уменьшают психотические расстройства (со- (соответствующие двигательные проявления, бред, галлюцина- галлюцинации). С другой стороны, транквилизаторы отличаются и от антидепрессантов. Повышенную тревожность можно рассмат- рассматривать как избыточный страх перед «отрицательным под- подкреплением» — болью, неудачами, реальными и мнимыми опасностями. Депрессия же — это снижение значимости «по- «положительного подкрепления» (различных субъективно при- приятных переживаний), потеря интереса к жизни. Наиболее известны среди анксиолитиков-бензодиазепи- нов элениум (синонимы — либриум, хлозепид), реланиум (ди- азепам, седуксен, сибазон, валиум), тазепам (нозепам). Более мягким по сравнению с ними действием характеризуется ме- запам (нобриум), что позволяет назначать его пожилым лю- людям, детям, а также в качестве «дневного транквилизатора», минимально угнетающего основные функции ЦНС. Кроме уже перечисленных ситуаций, бензодиазепины при- применяют для облегчения абстинентного синдрома, при мигре- мигрени, кожном зуде, сердечных аритмиях, для уменьшения ноч- ночного выделения желудочного сока (язвенные заболевания). Так же, как в случае барбитуратов, к ним возможно формиро- формирование привыкания и зависимости; наблюдается усиление дей- действия бензодиазепинов на фоне принятия алкоголя и других депрессантов (веществ, снижающих активность ЦНС). Механизм действия бензодиазепинов на ГАМКА-рецептор состоит в следующем: они связываются с активным центром, «настроенным» на особые пептиды — эндозепины, которые являются блокаторами ГАМКА-рецепторов (подавляют откры- открывание С1 -канала) и вызывают возбуждение, страх, проконф-
3.11. ГАММА-АМИНОМАСЛЯНАЯ КИСЛОТА 173 ликтное поведение. Бензодиазепины функционируют как ан- антагонисты эндозепинов и тем самым увеличивают уровень торможения в ЦНС. Сходным с эндозепинами действием обла- обладают так называемые бета-карболины (возникают при взаимо- взаимодействии серотонина с ацетальдегидом, который является продуктом метаболизма этилового спирта). Несколько слов о ГАМКБ-рецепторах. Благодаря открыва- открыванию К+-каналов они способны вызывать не только тормозные постсинаптические потенциалы, но и гиперполяризацию пре- синаптических окончаний. Последняя снижает кальциевый ток и выброс медиаторов («пресинаптическое торможение»). За счет этого механизма ГАМКБ-рецепторы модулируют вы- высвобождение моноаминов, особенно в лобной коре. Клиниче- Клиническое применение получил агонист ГАМКБ-рецепторов бакло- фен, входящий в группу противосудорожных препаратов. Инактивация ГАМК происходит в основном путем обрат- обратного всасывания в пресинаптическое окончание и последую- последующего превращения в глутаминовую кислоту. Реакцию эту осу- осуществляет особый фермент ГАМК-трансфераза. Его блокато- рами являются соли вальпроевой кислоты. Они оказывают транквилизирующее и противосудорожное действие. Вальп- роаты особенно полезны при малых формах эпилепсии. Вызы- Вызываемые ими побочные депрессантные изменения, как прави- правило, минимальны. ГАМК при попадании непосредственно в мозг вызывает тормозные эффекты. Однако через гематоэнцефалический барьер эта аминокислота проходит плохо (примерно на 1/10), а проникая в ЦНС, вызывает главным образом метаболические изменения. Тем не менее ГАМК в чистом виде (препарат ами- налон) используется в клинике при различных патологиях мозга: после инсультов и травм, при возрастных изменениях, сосудистых заболеваниях, умственной отсталости. Для ГАМК характерно мягкое психостимулирующее действие, реализуе- реализуемое за счет улучшения работы тормозных интернейронов. Курс лечения обычно составляет несколько месяцев. Сходные эффекты вызывают также производные ГАМК оксибутират и фенибут, для которых более выражены транквилизирующие проявления. Эффективны также «гибриды» ГАМК и витами- витаминов — пантогам (ГАМК плюс пантотеновая кислота — вита- витамин В3) и пикамол (ГАМК плюс никотиновая кислота — вита- витамин PP). Все перечисленные соединения относятся к еще одной группе психотропных препаратов — ноотропам. Этот термин
174 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ был введен в 70-е годы для обозначения веществ, оказываю- оказывающих стимулирующее действие на обучение и память, повы- повышающих устойчивость нервной системы к неблагоприятным воздействиям, восстанавливающих нарушенные высшие функ- функции мозга. Классическим представителем ноотропов считает- считается пирацетам (ноотропил), мягко активирующий различные нейромедиаторные системы за счет улучшения метаболиче- метаболических процессов в нервных клетках. 3.12. ДРУГИЕ МЕДИАТОРЫ-НЕПЕПТИДЫ: ГИСТАМИН, АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА, ГЛИЦИН, ПУРИНЫ Завершая разговор о медиаторах-моноаминах и медиато- медиаторах-аминокислотах, дадим краткую характеристику тем из них, которые относительно мало представлены в нервной сис- системе человека. Из этого, конечно, не следует, что подобные со- соединения выполняют незначимые и второстепенные функции; скорее можно говорить о том, что им «поручены» некоторые особо ответственные задания, потребовавшие иной по сравне- сравнению с большинством зон ЦНС нейрохимической базы. Хими- Химическое строение некоторых медиаторов-непептидов см. ниже. N — С—СН2—СН2—NH2 II II НС СН V н Гистамин NH2 ^*/-ч OXJ Г^Х! Г* ^Л-t ^-П-2 ^Jfi ^ n. НО ОН Аспарагиновая кислота NH2 СН—С^ Глицин NH2 | 1 II СН НС ^,С^ / носн2—нс^ ^сн НС—СН 1 1 он он Аденозин
3.12. ДРУГИЕ МЕДИАТОРЫ-НЕПЕПТИДЫ 175 Гистамин — еще один представитель моноаминов. Это со- соединение образуется из пищевой аминокислоты гистидина. Нейроны, использующие гистамин в качестве медиатора, ло- локализованы в очень небольшой зоне — заднем гипоталамусе, но их проекции широко представлены во всей ЦНС. Под дей- действием гистамина происходит облегчение пробуждения, сти- стимулируется двигательная и половая активность, ослабляется болевая чувствительность и пищевое поведение. Выявлено два типа постсинаптических (Н1 и Н2) и один тип пресинаптиче- ских (Н3) рецепторов к гистамину. Hj-рецепторы встречаются в большом количестве и на периферии, вызывая, например, спазм бронхов. Для периферических Н2-рецепторов наиболее характерна стимуляция выделения желудочного сока. Нг и Н2-рецепторы играют также важную роль в развитии аллерги- аллергических и иммунных реакций. Клиническое применение (как антиаллергических препа- препаратов) имеют в основном блокаторы Н^рецепторов: димедрол, фенкарол, диазолин, тавегил, супрастин и др. Побочным эф- эффектом их употребления может быть снижение активности нервной системы, сонливость. Блокаторы Н2-рецепторов (на- (например, циметидин, зонтак) являются противоязвенными препаратами. Аспарагиновая кислота (пищевая, заменимая) похожа на глутаминовую и действует на те же рецепторы. Встречается этот медиатор относительно редко. Так, в спинном мозге ас- партат содержится в возбуждающих интернейронах, регули- регулирующих различные врождённые рефлексы. Много аспараги- новой кислоты в нижней оливе — особом ядре на передней (вентральной) поверхности продолговатого мозга. Именно он является медиатором лазающих волокон, направляющихся из нижней оливы к мозжечку. Входя в кору мозжечка, лазаю- лазающие волокна образуют синапсы на клетках Пуркинье. Сраба- Срабатывание таких синапсов воздействует на системы вторичных посредников и вызывает различные метаболические измене- изменения, в результате чего на несколько часов снижается эффек- эффективность синапсов между параллельными волокнами и денд- ритами клеток Пуркинье. Это явление названо долговременной депрессией. Оно играет важную роль в процессах моторного обучения. При повреждении нижней оливы выработка новых двигательных навыков резко затрудняется. Глицин — заменимая пищевая аминокислота. Одновре- Одновременно это и тормозной медиатор, хотя значительно менее рас-
176 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ пространенный, чем ГАМК. Большая часть глицинергиче- ских клеток выполняет весьма специфическую функцию. Они получают возбуждение от коллатералей аксонов мотонейро- мотонейронов. Далее их собственные аксоны направляются назад к мото- мотонейронам и осуществляют их торможение. Его назначение — предохранение мотонейронов от перевозбуждения. Глицин выполняет свою медиаторную функцию в интернейронах вентральных рогов серого вещества спинного мозга, а также двигательных ядер черепных нервов (особенно подъязычного и тройничного). Некоторое количество глицинергических нейронов обнаруживается также в промежуточном мозге и ре- ретикулярных ядрах продолговатого мозга. Известен только один тип глицинового рецептора. Он яв- является ионотропным и содержит С1~-канал. Специфическим блокатором канала является стрихнин — алкалоид тропи- тропического дерева чилибухи. В больших дозах он приводит к пе- перевозбуждению мотонейронов, сильнейшим судорогам и удушью. В малых дозах (до 0,01 г) его иногда применяют как тонизирующее средство при быстрой утомляемости, гипото- гипотонии, мышечной атонии, параличах. Интересно также, что три наиболее изученных ионотроп- ных белка-рецептора — глициновый, никотиновый и ГАМКА имеют частично совпадающую первичную структуру. Это го- говорит об известной общности их эволюционного происхожде- происхождения и родстве соответствующих генов. Глицин в чистом виде назначают как успокаивающий (се- дативный) препарат, уменьшающий возбуждение в стволе го- головного мозга и, в частности, снижающий риск инфаркта. Глицин ослабляет также проявления абстинентного синдро- синдрома — депрессию, повышенную раздражительность, наруше- нарушения сна и двигательные нарушения (мелкие подергивания, тремор). Это позволяет применять его для лечения больных хроническим алкоголизмом. Пурины (в первую очередь аденозин), а также АМФ, АДФ и АТФ — агонисты особых пуриновых рецепторов. Последние подразделяются на несколько типов, из которых особую зна- значимость имеют Al-рецепторы. Последние являются метабо- тропными, в основном пресинаптическими; они подавляют аденилатциклазу, что приводит к падению выброса медиато- медиаторов. Физиологическая роль пуриновой системы связана с ре- реакцией на АМФ, образующуюся при длительной интенсивной нагрузке мозга; АМФ (продукт распада АТФ) тормозит де-
3.13. МЕДИАТОРЫ-ПЕПТИДЫ 177 ятельность синапсов, работая как «защитник» ЦНС в экстре- экстремальных ситуациях. Блокаторы Al-рецепторов могут активировать многие ме- диаторные системы и весь мозг. К веществам с таким меха- механизмом действия относят кофеин, теофилин и теобромин. Они содержатся в кофе, чае, какао, шоколаде, орехах кола (и на- напитках «кола»). Кофеин как фармакологический препарат принадлежит к группе психомоторных стимуляторов. У большинства людей он повышает умственную и физическую работоспособность, уменьшает усталость и сонливость, усиливает сердечную де- деятельность. При постоянном введении в организм кофеина происходит нарастание количества пуриновых рецепторов, в результате отказ от кофе способен вызвать значительное сни- снижение активности аденилатциклазы, что в свою очередь мо- может привести к развитию депрессии, сонливости. Кофеин в сочетании с анальгетиками входит в состав та- таких препаратов, как аскофен и цитрамон. 3.13. МЕДИАТОРЫ-ПЕПТИДЫ Пептидные медиаторы — вещества, состоящие из цепо- цепочек аминокислот. Первым из них было открыто вещество Р (от powder — порошок), выделенное из сухого порошка спин- спинного мозга. Этот пептид состоит из 11 аминокислот (рис. 3.39). Его введение в кровь в очень малых дозах вызыва- вызывает расширение кровеносных сосудов и спазм кишечника (ре- (рецепторы находятся на гладких мышечных клетках). Вещество Р вырабатывается нейронами спинномозговых ганглиев, связанными с восприятием болевой чувствительно- чувствительности. Пептид обнаруживается как в пресинаптических оконча- окончаниях их аксонов (задние рога спинного мозга), так и в чувст- чувствительных нервных окончаниях кожи. В задних рогах веще- вещество Р работает (совместно с глутаминовой кислотой) как истинный медиатор, передающий сигнал на нейроны серого вещества. В коже оно выполняет гормоноподобную функцию, вызывая воспалительный процесс. Вырабатывается вещество Р и некоторыми интернейронами ЦНС. В таком случае оно со- содержится в пресинаптических окончаниях совместно с други- другими медиаторами (например, ГАМК). Наиболее изученной группой пептидных медиаторов счи- считаются опиоидные пептиды. Их название происходит от опи-
178 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ с с с с с с с с с с с Аргинин Пролин Лизин Пролин Глутамин Глутамат Фенилаланин Фенилаланин Глицин Лейцин Метионин ) С )( )С у ( ) ) у < )( , с X ) С а) Рис. 3.39. Структурные (б), мет-энкефалина (в) Тирозин ) Пролин ) Фенилаланин ^ Фенилаланин ) б) Тирозин ) Глицин ^ Глицин ~^ Фенилаланин ) Лейцин ^) С с с с с г) схемы вещества Р (а и лей-энкефалина (г) Тирозин Глицин Глицин Фенилаланин Метионин в) , эндоморфина у у у у ума — субстанции, выделенной из мака Papaver somniferum и обладающего анальгетическим и эйфорическим действием (рис. 3.40). Под влиянием опиума по мере увеличения дозы на- наблюдается обезболивание, успокоение и засыпание. В 1803 г. было выделено основное действующее начало опиума, назван- названное морфином. Показано, что обезболивающие эффекты мор- морфина осуществляются через задние рога спинного мозга, эйфорические влияния (безмятежность, отрешенность, «пла- «плавание в теплых облаках») — через гипоталамус, где располо- расположен центр положительных эмоций. Засыпание связано с об- общим торможением стволовых структур. Сверхбольшие дозы морфина могут вызвать остановку дыхания. В 70-е годы были найдены рецепторы к морфину — опи- оидные рецепторы. Затем в течение нескольких лет шел по- поиск присоединяющихся к ним эндогенных медиаторов. В ито- итоге оказалось, что последние являются веществами пептидной природы (опиоидные пептиды). В настоящее время среди них выделяют в зависимости от первичной структуры эндоморфи- ны D аминокислоты), энкефалины E аминокислот), эндорфи-
3.13. МЕДИАТОРЫ-ПЕПТИДЫ 179 а) F Г но СН у—ту о он Рис. 3.40. Структурные ниста — налоксона (б) 3 в) f / но формулы , ^ ~\ / 0 морфина / ¦/- (а) сн-сн=сн2 > 0 и его антаго- ны A0 и более аминокислот), динорфины (8 и более аминокис- аминокислот). Все опиоидные пептиды имеют две общие черты: они на- начинаются с тирозина, и недалеко от тирозина (через одну или две аминокислоты) находится фенилаланин. Ситуация усложнилась, когда было показано, что опиоид- опиоидные пептиды влияют по крайней мере на три типа рецепторов (мю-, дельта- и каппа-), причем морфин является агонистом лишь первого из них. Наиболее избирательными по отноше- отношению к мю-рецепторам являются эндоморфины; по отноше- отношению к дельта-рецепторам — энкефалины; по отношению к каппа-рецепторам — динорфины. Первичная структура этих рецепторов совпадает на 50—70%; все они (хотя и в разной мере) обладают обезболивающим, эйфорическим и тормозя- тормозящим действием. Синтез медиаторов-пептидов (в том числе опиоидных) протекает значительно сложнее по сравнению с синтезом меди- медиаторов других групп. В ходе этого процесса рибосомы вначале строят белок-предшественник, а затем особые ферменты выре- вырезают из него необходимые фрагменты, причем один белок мо- может содержать внутри себя несколько медиаторов-пептидов. Основной механизм действия опиоидов в ЦНС — преси- наптическое торможение выделения медиаторов. Рассмотрим его на примере задних рогов спинного мозга, передающих бо- болевую чувствительность (рис. 3.41). Из схемы видно, что, соединяясь с пресинаптическими ре- рецепторами, энкефалины способны ослабить работу основного синапса двумя путями. Во-первых, они понижают активность
180 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ аденилатциклазы (АЦ) и синтез цАМФ; во-вторых, действуя через фосфолипазу, способствуют открыванию хемочувстви- тельных К+-каналов; в результате активность Са2+-каналов снижается, поскольку она зависит и от количества цАМФ, и от потенциала на мембране. Количество входящего кальция падает, это уменьшает выброс везикул с глутаматом и вещест- веществом Р, и передача боли ослабляется. Опиоиды способны по тому же механизму блокировать вы- выделение и других медиаторов — моноаминов и аминокислот. В ядрах шва они ослабляют активность ГАМК-ергической пе- передачи, тормозящей серотониновые нейроны, поэтому под влиянием энкефалинов эти нейроны активируются, ослабляя проведение боли в спинном мозге. Морфин и сходные с ним соединения — агонисты опиоид- ных рецепторов. Эти вещества вызывают очень сильное преси- наптическое торможение и могут привести к полному обезбо- обезболиванию. Однако анальгетический эффект носит временный характер, поскольку проводящий боль нейрон быстро «нараба- «нарабатывает» дополнительное количество аденилатциклазы. В этом и состоит механизм привыкания к морфину, когда для дости- достижения эффекта нужно вводить все большее количество препа- препарата (рис. 3.42). С каждым разом активность аденилатцикла- Болевой сигнал Выход Снижение входа Са и выброса везикул Ослабление боли Передача болевых сигналов на следующий нейрон Рис. 3.41. Схема механизмов пресинаптического торможе- торможения: / — опиоидные пептиды; 2 — вещество Р; 3 — опиоидные рецепторы; 4 — К+-каналы; 5 — Са2+-каналы
3.13. МЕДИАТОРЫ-ПЕПТИДЫ 181 зы растет, что требует увеличения вводимой дозы для дости- достижения анальгезии (привыкание). При попытке отказа от морфина количество цАМФ в пресинаптическом окончании может оказаться гораздо выше нормы. Это приведет к более интенсивной передаче болевых и прочих сигналов. В таком случае можно говорить о возникно- возникновении зависимости, которая проявляется в абстинентном синдроме (глубокая депрессия, боли). Чтобы снять синдром, нужно вновь ввести морфин, и возникает замкнутый круг. Важно, что для опиоидов зависимость вырабатывается очень быстро — после 3—5 применений (в дофаминергической и ГАМК-ергических системах — после десятков и сотен приме- применений). Зависимость от морфина была обнаружена в XIX веке при применении его в госпиталях для обезболивания. Тогда воз- возникла идея найти аналоги морфина, снимающие боль, но не приводящие к привыканию. В результате в конце века был синтезирован героин («героическое обезболивающее»)— пре- препарат, в 10 раз более активный, чем морфин. Однако через не- несколько лет оказалось, что скорость привыкания к героину еще больше, — ив 20-е годы он был запрещен, перейдя из раз- разряда лекарственных препаратов в разряд наркотиков. В настоящее время опиум и героин производят в основном на Ближнем Востоке (Афганистан, Пакистан, Иран), в Юго- Восточной Азии (Лаос, Бирма, Таиланд) и Мексике. Его рас- Рис. 3.42. Схема развития привыка- привыкания (/) и зависи- зависимости (//) при по- повторных инъекци- инъекциях морфина Абстинентный синдром JJ t t Морфин Морфин Морфин Время
182 3. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ пространение контролируется организованными криминаль- криминальными структурами, ряды которых пополняются наркомана- наркоманами, попавшими в зависимость от героина. Кроме того, упо- употребление этого препарата сопряжено с риском заражения СПИДом, гепатитом и другими заболеваниями, передающими- передающимися в том числе и через использованный шприц. Только в США количество героиновых наркоманов оценивается в 500 тыс. человек, и ежегодно регистрируется более 1 тыс. смертей от передозировки. Тем не менее в клинике опиоиды остаются самыми мощ- мощными из известных анальгетиков и незаменимы для снятия наиболее тяжелой боли (травмы, злокачественные опухоли). При этом наряду с морфином используется кодеин — другой опиоид, содержащийся в маке. Он обладает более слабым анальгетическим и эифорическим действием и входит в состав таблеток «Пенталгин» и «Седалгин». Кроме того, кодеин из- избирательно тормозит активность кашлевого центра и приме- применяется как противокашлевый препарат. Разработано также значительное количество синтетиче- синтетических аналогов морфина. Некоторые из них сравнимы с прото- прототипом по активности (метадон), некоторые — слабее (пентазо- цин; вызывает меньшее привыкание) или сильнее (фентанил; используется для анестезии). Все эти вещества относятся к группе наркотических анальгетиков. Их не следует смеши- смешивать с ненаркотическими анальгетиками, которые действуют не на ЦНС, а на возбудимость болевого рецептора (анальгин, ацетилсалициловая кислота — аспирин). Используется в клинике и антагонист опиоидных рецепто- рецепторов налоксон. Его применяют при передозировке наркотиче- наркотических анальгетиков и приеме сверхдоз морфина и героина. Применяется налоксон также для диагностики наркомании. Его введение вызывает (при наличии зависимости от опиатов) развитие проявлений абстинентного синдрома. Вещество Р, энкефалины и эндорфины — это только от- отдельные представители регуляторных нейропептидов. Раз- Разнообразие этого класса медиаторов и модуляторов деятельнос- деятельности нервной системы чрезвычайно велико. В него входят сотни соединений, составляющие несколько десятков семейств. Да- Далеко не для всех из них к настоящему времени найдены в ЦНС специфические рецепторы, и далеко не все они присутст- присутствуют в нервной ткани в заметном количестве. Дело в том, что многие неиропептиды являются фрагментами пептидных гор- гормонов и гормонов-белков, выполняющих специфические функ-
3.13. МЕДИАТОРЫ-ПЕПТИДЫ 183 ции в периферических органах. В этом случае их появление в мозге может быть следствием распада гормона в плазме крови или лимфе. Однако многие нейропептиды вырабатываются нервными клетками в дополнение к основным медиаторам и, накапливаясь в везикулах, выбрасываются из пресинаптиче- ского окончания. В этом случае они обычно вызывают не от- открывание ионных каналов, а медленные метаболические изме- изменения в постсинаптической клетке (что и подразумевает тер- термин «модуляторы деятельности нервной системы»). Приведем несколько примеров. Тиролиберин (один из ли- беринов гипоталамуса) одновременно способен активировать эмоциональное поведение и бодрствование, а также дыхатель- дыхательный центр. Холецистокинин — стимулятор сокращений желчного пузыря; его короткий участок вызывает тревож- тревожность и страх. Вазопрессин управляет деятельностью почек; его фрагменты активируют процессы запоминания. Адрено- кортикотропный гормон «включает» надпочечники; его уча- участки стимулируют внимание и классифицируются как ноот- ропы. Представителем последнего семейства является исполь- используемый в клинике препарат «Семакс» — пептид, состоящий из семи аминокислот. Его интраназальное (закапывание в нос) применение позволяет улучшить состояние поврежден- поврежденных или незрелых нервных клеток, в связи с чем семакс ис- используется после инсультов, травм, при дегенерациях сетчат- сетчатки и периферических нервов. Существуют нейропептиды, избирательно управляющие половым поведением, пищевой мотивацией, терморегуля- терморегуляцией. В целом соединения этой группы образуют сложную иерархическую систему, в которой одни нейропептиды акти- активируют или подавляют высвобождение других нейропепти- дов. Последние способны воздействовать как на метаболизм нейронов, так и на функционирование «классических» меди- аторных систем; при этом сфера влияний конкретного нейро- пептида часто ограничивается узким кругом эффектов, свя- связанных, например, только с какой-либо одной биологически значимой потребностью или с определенным типом памяти.
4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 4.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИНЦИПАХ ОРГАНИЗАЦИИ ПОВЕДЕНИЯ. КОМПЬЮТЕРНАЯ АНАЛОГИЯ РАБОТЫ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Термин высшая нервная деятельность (ВНД) был введен в науку академиком Иваном Петровичем Павловым A849— 1936), считавшим его равнозначным понятию «психическая деятельность». Действительно, объект изучения психологии и физиологии высшей нервной деятельности — работа мозга; эти науки объединяет и ряд общих методов исследования. Вместе с тем психология и физиология ВНД изучают разные стороны работы мозга. Физиология ВНД исследует механиз- механизмы деятельности всего мозга, отдельных его структур и нейро- нейронов, связи между структурами и их влияние друг на друга, механизмы поведения. Психология изучает результаты рабо- работы ЦНС, проявляющиеся в виде образов, идей, представлений и других психических проявлений. Труды психологов и фи- физиологов ВНД всегда тесно переплетались, используя дости- достижения обеих наук. В последние десятилетия даже возникла новая наука — психофизиология, основной задачей которой является изучение физиологических основ психической де- деятельности. Мысль о том, что психическая деятельность осуществляет- осуществляется при участии нервной системы, возникла еще до нашей эры, но каким образом это происходит — очень долго оставалось неясным. Даже сейчас нельзя сказать, что механизмы работы мозга полностью раскрыты, особенно когда речь идет о мозге
4. 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯО ПРИНЦИПАХ ОРГАНИЗАЦИИ 185 человека — самом сложном из известных объектов научных исследований. Первым ученым, доказавшим участие нервной системы в поведении, был римский врач Гален (II век н. э.). Он обнару- обнаружил, что головной и спинной мозг связаны со всеми органами нервами и что разрыв нерва, соединяющего мозг и мышцу, приводит к параличу. Он также показал, что при перерезке нервов, идущих от органов чувств, организм перестает восп- воспринимать раздражители. Зарождение физиологии мозга как науки связано с работа- работами французского математика и философа Рене Декарта (XVII в.). Именно он создал представление о рефлекторном принципе работы организма. Правда, сам термин «рефлекс» был предложен в XVIII в. чешским ученым Й. Прохазкой. Декарт рассматривал организм как машину, действующую по принципу несложных механизмов того времени (часы, куз- кузнечный мех). Он считал, что внешнее воздействие натягивает «нити», идущие в сенсорных нервах от органов чувств к мозгу (рис. 4.1). Зрительный сигнал, действуя на глаз 1, приводит в движение зрительный нерв 2, который открывает в головном мозге особый клапан 3. При открывании клапана «животные духи» начинают по двигательному нерву 4 поступать в мышцу 5, раздувая ее, что и приводит к сокращению мышцы (движе- (движению). Несмотря на упрощенность, концепция Декарта учитывает целый ряд существенных особенностей работы мозга, а имен- именно: органом, управляющим поведением, является головной мозг; мышечная реакция порождается изменениями в примы- Зрительный L/ 4 |Т Движение сигнал Х^ \ ~^ «животных духов» Рис. 4.1. Схема срабатывания мышцы в ответ на стимул (по Р. Декарту) Сокращение мышцы
186 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ кающем к мышце нерве; процессы, происходящие в сенсорных нервах, отражаются на двигательных нервах. Последнее поло- положение — это описание рефлекса, который определяется как осуществляемая при участии нервной системы ответная реак- реакция организма на некоторый стимул. Декарт считал, что по такому принципу происходят только простые, непроизволь- непроизвольные движения. Наряду с этим он признавал наличие души, которая обеспе- обеспечивает сложное целесообразное поведение человека. Представ- Представления Декарта легли в основу теорий, развиваемых физиоло- физиологами в течение последующих двух веков, в том числе в основу работ И. М. Сеченова, о которых будет рассказано ниже. В начале XX века сформировалось несколько научных на- направлений, которые рассматривали рефлекторный принцип как основу поведения человека и животных. Наиболее извест- известны из них школа классической физиологии ВНД И. П. Павло- Павлова и американская школа бихевиоризма (Б.-Э. Торндайк, Дж. Уотсон). Создатели этих направлений, сводя поведение к принципу «стимул —*¦ реакция», понимали, конечно, что уп- упрощают реальную картину работы мозга. Но именно подобное упрощение позволило выявить многие базовые принципы обу- обучения, обработки сенсорной информации и формирования двигательных навыков. Затем появилась необходимость ввести между стимулом и реакцией дополнительное звено и преобразовать исходную схему в форму «стимул —> мозг —> реакция». Это дополне- дополнение отражает то, что ученые осознали и попытались учесть за- зависимость поведения не только от сенсорных сигналов, но и от внутренних процессов, происходящих в ЦНС. К последним можно отнести память, работу со сложными сенсорными обра- образами, мотивации и эмоции. Возникали и развивались новые психологические школы, специализирующиеся на изучении этих явлений (гештальпсихология, психоанализ, когнитив- когнитивная психология, различные течения возрастной психологии). Результатом параллельных исследований физиологов ВНД явилось создание концепции о функциональной системе ра- работы мозга, сформулированной П. К. Анохиным (рис. 4.2). Функциональная система включает в себя блоки сенсорных систем, памяти, потребностей и мотиваций, а также блок ре- регуляции уровня бодрствования. Эти четыре составляющие пе- передают свои сигналы на блок принятия решений — централь- центральное звено всей функциональной системы. Именно здесь на ос- основе имеющейся у индивидуума информации происходит
4. 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯО ПРИНЦИПАХ ОРГАНИЗАЦИИ 187 выбор программы поведения и запуск ее реализации, для чего сигнал передается на двигательные системы мозга, которые осуществляют непосредственное управление мышцами. Особое значение имеет включенная в структуру функцио- функциональной системы работы мозга обратная связь между резуль- результатами поведения и блоком принятия решений. Любое мышеч- мышечное сокращение приводит к изменениям сенсорных потоков (конечности перемещаются в пространстве, изменяется зри- зрительная афферентация). Эти изменения и есть, по сути, резуль- результаты поведения, которые регистрируют сенсорные системы. Полученная информация учитывается блоком принятия ре- решений при выборе новой программы или используется для корректировки еще не завершенного поведенческого акта. Та- Таким образом обеспечивается цикличность и непрерывность поведения, когда результаты одного этапа деятельности явля- являются предпосылками для запуска следующего ее этапа. Функциональная система мозга как формализованная схе- схема работы ЦНС ближе к реальности, чем чисто рефлекторные представления, но и в этом случае мы вынуждены проводить целый ряд упрощений — иначе предлагаемая схема приобре- приобретет слишком громоздкий вид. Так, блок памяти включает в себя двигательную (процедурную) и сенсорную (декларатив- (декларативную) память, одновременно подразделяясь на целый ряд ти- типов кратковременной и долговременной памяти. Наиболее Система потребностей и мотиваций Система памяти Сенсорные системы 4v >— Система регу- регуляции уровня бодрствования 1—¦ tv Г "¦Вяок '¦:'' ' ¦ ¦; ".щцщят. ¦;¦ уи> f ну и щ Я ( J Двигатель- Двигательные системы Поведение т Результаты поведения / / / Оценка результатов поведения Рис. 4.2. Упрощенная схема функциональной системы ра- работы мозга, предложенная П. К. Анохиным
188 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ сложную деятельность блока принятия решений обеспечива- обеспечивают ассоциативные структуры мозга, а также центры положи- положительного и отрицательного подкрепления, регулирующие обу- обучение и уровень эмоций. Все эти вопросы в той или иной мере будут освещены в следующих главах. Работа мозга чрезвычайно сложна, и, пытаясь описать ее принципы, мы вынуждены прибегать, помимо использования собственно физиологических данных, еще и к аналогиям. При этом наиболее полезным оказывается сравнение ЦНС с объек- объектами из мира техники. Так, Декарт сравнивал работу мозга с пневматической машиной. В конце XIX века ЦНС представ- представляли телефонной станцией, где нервы — провода, а информа- информация передается в виде электрических сигналов. Вступая в XXI век, мы сравниваем мозг с компьютерами. Принципиальное устройство вычислительной машины (например, персонального компьютера высокого класса) сход- сходно с функциональной системой мозга, при этом блокам сен- сенсорных и двигательных систем соответствуют устройства вво- ввода (клавиатура, мышь, сканеры) и вывода (дисплей, принте- принтеры, звуковые колонки). Присутствует в компьютере и память (кратковременная и долговременная); блоку принятия реше- решений соответствует процессор. Но есть и существенные разли- различия. Одно из них касается быстродействия. И в вычислительной машине, и в мозге информация пере- передается в виде стандартных электрических импульсов. Однако в первом случае частота передачи составляет сотни миллионов и миллиарды импульсов в секунду. В случае ЦНС эта величи- величина не превышает 1000 Гц (поскольку длительность потенци- потенциала действия не может быть меньше 1 мс). Каким же образом мозг компенсирует эту разницу? Очевидно, что за счет огром- огромного числа каналов передачи информации — аксонов, по ко- которым распространяются сигналы. Сама организация ЦНС обеспечивает возможность широкой параллельной обработки информации в различных нервных структурах, что резко ус- ускоряет производимые «вычисления» и увеличивает надеж- надежность всей системы, устраняя последствия возможной потери сигнала одним из каналов. Главное отличие нервной системы от компьютера — в сути выполняемых ими задач. Компьютер создан для осуществле- осуществления быстрых операций с точными числами, а целью работы мозга является то, что можно назвать вероятностным про- прогнозированием изменений в окружающей среде и организа- организацией реакций организма, исходя из сделанного прогноза.
4.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯО ПРИНЦИПАХ ОРГАНИЗАЦИИ 189 Иными словами, достаточно сложно организованная ЦНС все время пытается заглянуть в будущее и учитывает резуль- результаты таких попыток, запуская поведенческие реакции; при этом рассматриваются несколько возможных вариантов ре- реагирования, и, если их «привлекательность» для мозга доста- достаточно близка, мы не сможем с точностью предположить, ка- какая программа действий будет выбрана. Это делает поведение индивидуума до определенной степени непредсказуемым, ве- вероятностным, создает «шум» в работе нейронных сетей, безу- безусловно, полезный по двум причинам. Во-первых, ЦНС оказывается способной к перебору раз- разных вариантов решения одной и той же задачи, что увеличи- увеличивает вероятность нахождения наиболее оптимального из них. Особенно важно это при помещении особи в некоторые новые условия, когда метод проб и ошибок оказывается единствен- единственным приемлемым путем, например, для выхода из запертой камеры или для достижения пищи. Во-вторых, относительная непредсказуемость поведения выполняет в ходе эволюции за- защитные функции, поскольку предоставляет животному шанс спастись от хищника, который не может с точностью предуга- предугадать реакции своей потенциальной жертвы. Наиболее правомерно сравнивать ЦНС не с одним компью- компьютером, а с целым комплексом вычислительных центров, что схематически изображено на рис. 4.3. Каждый блок функци- функциональной системы мозга можно представить в виде иерархиче- иерархически организованного комплекса вычислительных устройств, низшие из которых выполняют более простые операции (на- (например, в случае зрительной системы идентифицируют свет- светлые и темные точки). Чем выше в иерархии расположено уст- устройство, тем более сложные функции с ним связаны (для зри- зрительной системы задачами максимального уровня сложности являются чтение и узнавание лиц). При этом возможен очень широкий обмен информацией между отдельными «вычисли- «вычислительными устройствами» не только в рамках одной систе- системы-центра (двигательного, центра памяти), но и между ними. Иными словами, мозгу чужда авторитарность, и «нижестоя- «нижестоящие» не нуждаются в разрешении «вышестоящих» для осу- осуществления самых разнообразных контактов. Как правило, вышестоящие области стараются передать рутинные (много- (многократно повторяемые) функции нижестоящим, высвобождаясь для выполнения более нестандартных, «творческих» задач. Наиболее яркий пример этого — автоматизация навыков в двигательных системах.
190 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Двигательные центры Зрительные центры Центры памяти Рис. 4.3. Компьютерная аналогия работы мозга, рассматри- рассматривающая ЦНС как совокупность иерархически организован- организованных вычислительных центров, состоящих в тесной взаимо- взаимосвязи: 1 — обработка информации внутри центра («от прос- простого к сложному»); 2— сознательный уровень работы мозга; 3 — обмен информацией между центрами Аналогия «компьютерных центров» мозга позволяет сде- сделать еще одно важное заключение. Легко понять, что наибо- наиболее сложные функции ЦНС сосредоточены на вершинах «пи- «пирамид» (рис. 4.3). В полной мере это относится и к такому вы- высочайшему проявлению работы мозга, как сознание; вся остальная часть «айсберга» — это подсознательная сфера. Ко- Конечно, следует учитывать, что центры нашего сознания имеют возможность подключения к подавляющему большинству «вычислительных устройств» мозга. Момент осуществления такого контакта — это момент переноса и удержания внима- внимания на некотором объекте, воспринимаемом органами чувств, совершаемом необычном движении или внутреннем субъек- субъективном состоянии. Однако число таких контактов, осуществ- осуществляемых в одно и то же время, очень ограничено и часто равно единице. Таким образом, наше сознание можно уподобить «пользо- «пользователю», находящемуся в огромном компьютерном комплек- комплексе. Пользователь стремится контролировать работу отдельных вычислительных устройств, для чего ему необходимо быстро переходить от одного компьютера к другому. При этом комп- комплекс продолжает работать, и вычислительные устройства в от-
4.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ УЧЕНИЯ О ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 191 сутствии пользователя (без контроля сознания) продолжают более или менее успешно выполнять свои функции. Некото- Некоторым из них пользователь может даже мешать, а в отдельных случаях вход в те или иные программы запрещен, поскольку был бы вреден для организма в целом; в частности, мы не мо- можем сознательно контролировать работу гипоталамуса (в том числе его эндокринную активность) и многие вегетативные функции. 4.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ УЧЕНИЯ О ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИОЛОГИИ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Самая известная книга Ивана Михайловича Сеченова A829—1905) «Рефлексы головного мозга» увидела свет в 1863 г. В ней ученый доказал, что рефлекс — это универсаль- универсальная форма взаимодействия организма со средой, т. е. рефлек- рефлекторный характер имеют не только непроизвольные, но и про- произвольные, сознательные движения. Они начинаются с раз- раздражения каких-либо органов чувств и продолжаются в мозгу в виде определенных нервных явлений, приводящих к за- запуску поведения. Сеченовым были впервые описаны тормозные процессы, развивающиеся в ЦНС. У лягушки с разрушенными больши- большими полушариями он исследовал реакцию на раздражение за- задней лапки раствором кислоты: в ответ на болевой стимул лапка сгибалась. Сеченов обнаружил, что, если предваритель- предварительно наложить на средний мозг кристаллик соли, время реак- реакции увеличивается. На основании этого он заключил, что в ЦНС возможно развитие центрального торможения. Сеченовым был сделан вывод, что мозг — это область не- непрерывной смены возбуждения и торможения. Два эти про- процесса постоянно взаимодействуют друг с другом, что приводит как к усилению, так и к ослаблению (задержке) рефлексов. ЦНС не просто пассивно реагирует на внешние раздражители, но может усиливать действие одних стимулов и затормажи- затормаживать действие других, поэтому организм реагирует на одни раздражители и не реагирует на другие. Он также обратил внимание на существование врожденных и приобретенных рефлексов. Он отмечал, что последние, являясь результатом
192 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ обучения, способны меняться в целях приспособления орга- организма к условиям окружающей среды. Выводы и догадки Сеченова оказались для своего времени удивительно верными, но большинство из них получило пря- прямое подтверждение только после создания объективного лабо- лабораторного метода исследования поведения. Такой метод был разработан И. П. Павловым уже в XX веке. Первую половину своей научной деятельности Павлов по- посвятил физиологии пищеварения. Для изучения секреторной деятельности пищеварительной системы — желудка и слюн- слюнных желез им были разработаны специальные (основанные на выведении протоков желез, наложении фистул) методы, по- позволяющие точно определить интенсивность секреции слюны и желудочного сока. За эти работы в 1904 г. И. П. Павлов был удостоен Нобелевской премии. Исследуя особенности работы пищеварительной системы, Павлов анализировал различные врожденные рефлексы, воз- возникающие при помещении пищи в ротовую полость и желу- желудок. В ходе изучения выделения желудочного сока и слюны у собак Павлов заметил, что эти секреты выделяются не только при соприкосновении еды со слизистой рта и желудка, но и когда животное видит пищу, чувствует ее запах, слышит звон посуды, из которой его кормят. Это явление, названное «пси- «психическим слюноотделением», было известно и раньше. На- Например, все знают, что при взгляде на лимон (или даже при мысли о нем) слюнные железы начинают интенсивно рабо- работать. Но до Павлова считали, что подобные процессы невоз- невозможно изучать экспериментальными методами. Работая с физиологией пищеварения, Павлов рассматри- рассматривал «психическое слюноотделение» как фактор, нарушающий чистоту опытов, и всячески стремился избавиться от его влия- влияния. Соответственно эксперименты с животными в его лабора- лаборатории стали проводить в звукоизолированных камерах, стро- строго ограничивая внешние сенсорные воздействия. Однако на- наступил момент, когда исследователи осознали, что выделение слюны, например, на звук шагов служителя, обычно кормя- кормящего собаку, — это следствие процессов обучения, и в этом случае они имеют дело с приобретенным рефлексом. Теперь оставалось сделать самый важный шаг — суметь организовать процедуру опыта так, чтобы ее следствием всегда была выра- выработка приобретенных рефлексов. Иными словами, Павлов поставил перед собой следующие вопросы: любой ли исходно незначимый (индифферентный)
4.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ УЧЕНИЯ О ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 193 для животного стимул можно сделать запускающим для врожденного рефлекса слюноотделения? Если да, то при ка- каких условиях? Результатом решения этих вопросов стала раз- разработка метода обучения экспериментальных животных (ме- (метод выработки условных рефлексов). Процедура опыта была организована следующим образом (рис. 4.4). Собака помещалась в экспериментальную камеру, где ее подвижность ограничивали специальными ремнями, затем экспериментатор включал сенсорный стимул, исходно не связанный с пищей (поэтому применялись сугубо искусст- искусственные сигналы — включение лампочек, звонков, метроно- метрономов). После определенного периода (несколько секунд), в тече- течение которого стимул действовал на животное, к нему в кор- кормушку автоматически подавалось небольшое количество пищи, которую собака съедала. В момент окончания еды сти- стимул выключали. Далее делалась пауза в несколько минут, после чего процедуру повторяли. При этом регистрировалось количество капель слюны, выделившейся у животного в стро- Рис. 4.4. Устройство для изучения условных слюноотдели- слюноотделительных рефлексов по И. П. Павлову: 1 — панель с приспо- приспособлениями для подачи условных стимулов; 2 — сменная кормушка; 3 — устройство для подсчета капель слюны
194 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Рис. 4.5. Кривая обучения в класси- классическом эксперимен- эксперименте И. П. Павлова 3 х 2 12 2 4 6 8 10 12 Номер сочетания лампочки и пищи го определенный интервал — от момента включения исходно незначимого стимула (например, лампочки) до момента пода- подачи пищи. После этого регистрировать слюноотделение не име- имело смысла, так как в действие вступал врожденный рефлекс. Полученные Павловым и его сотрудниками данные можно выразить графически (рис. 4.5). Увеличение слюноотделения под действием исходно незначимого стимула приводит к фор- формированию нового (приобретенного) рефлекса, позволяющего животному «предугадывать» появление пищи. Видно, что кривая обучения имеет характерную S-образную форму, и первые сочетания не вызывают (или почти не вызывают) реак- реакции. В дальнейшем мы наблюдаем, что мозг быстро устанав- устанавливает связь между фактом включения лампочки и последую- последующей подачей пищи, и интенсивность слюноотделения быстро нарастает. К 8—10 сочетанию она выходит на относительно стабильный уровень, и это свидетельствует о том, что форми- формирование нового приобретенного рефлекса фактически завер- завершено. Таким образом, исходно индифферентный сигнал стал запускающим для врожденного рефлекса слюноотделения, т. е. присоединился к нему, надстроился над ним. Как можно представить этот процесс, зная расположение и взаимные свя- связи различных центров в головном мозге собаки? Ответ на этот вопрос дает рис. 4.6. Рассмотрим сначала врожденные компоненты описанного поведения. Когда пища попадает в рот животного, она дейст- действует на вкусовые рецепторы языка. В результате сигналы по сенсорным нервам поступают в центр вкуса, расположенный на границе продолговатого мозга и моста. Нейроны данных ядер образуют контакты с находящимися в непосредственной
4.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ УЧЕНИЯ О ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 195 близости от них центрами слюноотделения 2; нервное воз- возбуждение поступает в эти центры и направляется далее — к слюнным железам 3, запуская рефлекс слюноотделения. Эта рефлекторная дуга является врожденной, и ее присутст- присутствие обязательно для здорового мозга любого наземного позво- позвоночного. Сигналы от центров вкуса продолговатого мозга и моста, кроме того, передаются вперед — к структурам переднего моз- мозга. Часть таких сигналов достигает центров вкуса коры боль- больших полушарий, расположенных в островковой доле, благо- благодаря чему можно сознательно воспринимать и анализировать 4 Включение лампочки Пища Рис. 4.6. Нервные процессы, обеспечивающие формирова- формирование рефлекса слюноотделения в ответ на включение лам- лампочки: 1 — центр вкуса в продолговатом мозге и мосту; 2 — центр слюноотделения; 3 — слюнная железа; 4 — центр вкуса в коре больших полушарий; 5 — корковый зрительный центр; 6 — стрелки, обозначающие врожден- врожденные нервные связи; 7 — стрелка, обозначающая сформиро- сформированную приобретенную связь
196 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ вкусовые ощущения. Специфика корково-подкорковой пере- передачи информации такова, что нервные волокна здесь направ- направляются в обе стороны (обратные связи между центрами / и 4). Действие лампочки приводит к активации фоторецепто- фоторецепторов, нейронов сетчатки и зрительных центров головного мозга 5, в том числе оказывается возбужденной и зрительная заты- затылочная область коры больших полушарий. Пока все перечисленные связи обладают свойством врож- врожденности. В чем же проявляются тогда последствия процедуры обучения? Павлову удалось доказать, что при выработке приоб- приобретенных рефлексов происходит формирование новых нерв- нервных связей в коре больших полушарий, в нашем примере — это связь между зрительным и вкусовым центрами. Если она установилась, то возбуждение, возникшее в результате вклю- включения лампочки, будет автоматически достигать центров слю- слюноотделения и запускать реакцию, которая исходно включа- включалась только действием на вкусовые рецепторы. Важно осознать, что все сказанное имеет характер фунда- фундаментального принципа, по которому идет переработка, накоп- накопление и использование мозгом информации. После первых опытов, в которых в качестве измеряемого параметра служи- служило количество выделяемой слюны, было доказано, что приоб- приобретенные рефлексы можно образовать на базе любого врож- врожденного рефлекса (например, оборонительного, возникающего в ответ на повреждающее болевое воздействие). Исходно не- незначимыми стимулами могут быть также любые сигналы, воспринимаемые органами чувств, — звуковые, слуховые, тактильные и прочие раздражители. Таким образом, в результате обучения происходит форми- формирование новых нервных связей между сенсорными центрами, возбуждаемыми исходно индифферентными сигналами, и центрами, связанными с текущими врожденными рефлекса- рефлексами (по Павлову, представительства безусловных рефлек- рефлексов). Принципиально важно, что это должны быть корковые центры, поскольку именно нейроны коры больших полуша- полушарий обладают максимально выраженной способностью к уста- установлению новых контактов (механизмы этого процесса будут рассмотрены ниже). В результате на базе врожденных рефлек- рефлексов возникают разнообразные приобретенные рефлексы, и с каждым корковым представительством врожденного рефлек- рефлекса может установить связь огромное количество сенсорных центров.
4.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ УЧЕНИЯ О ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 197 Анализ экспериментальных данных позволил Павлову оп- определить условия, при которых образуются приобретенные рефлексы. Перечислим основные из них. 1) Обычно необходимо неоднократное сочетание исходно незначимого стимула и врожденного рефлекса. Вместе с тем в некоторых ситуациях приобретенный рефлекс может вырабо- выработаться даже после одного сочетания (при оборонительных ре- реакциях). 2) Важно, чтобы исходно незначимый стимул несколько опережал начало врожденного рефлекса. В противном случае приобретенный рефлекс не образуется или образуется с боль- большим трудом. 3) Необходимо, чтобы ЦНС находилась в нормальном, ра- работоспособном состоянии. При болезненном, утомленном или сонном состоянии, а также при перевозбуждении выработка приобретенных рефлексов заметно затрудняется. 4) Необходима изоляция животного от различных посто- посторонних раздражителей, способных вызвать так называемое внешнее торможение (см. ниже). Если все эти условия выполняются, то новый приобретен- приобретенный рефлекс обязательно будет выработан, а в коре больших полушарий возникает новая нервная связь. В случае человека обязательность происходящего обучения означает, что новые нервные связи сформируются вне зависимости от сознатель- сознательного желания. Поскольку Павлову удалось доказать, что приобретенные рефлексы возникают при вполне определенных условиях, он назвал этот тип реакций условными рефлексами. Течение врожденных рефлексов относительно мало зависит от условий окружающей среды, в связи с чем Павлов назвал этот тип реф- рефлексов безусловными. Безусловные рефлексы врожденные, они предопределены генетически и наследуются, передаваясь от родителей потом- потомству. Будучи наследуемым фактором, они подвержены дейст- действию естественного отбора, т. е. эволюционируют так же, как и другие внешние и внутренние признаки организма. В резуль- результате этого в ряду поколений происходит сохранение тех безус- безусловных рефлексов, которые дают особям преимущества в борьбе за существование. Наличие определенного набора без- безусловных рефлексов является видоспецифичным признаком. Сложные комплексы безусловных рефлексов, часто организо- организованные по принципу цепи, когда результат одного рефлекса запускает следующий рефлекс, называют также инстинкта-
198 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ми. В течение жизни особи врожденные инстинктивные схе- схемы поведения быстро дополняются приобретенными (услов- (условно-рефлекторными) компонентами. В основе каждого конкретного безусловного рефлекса ле- лежит цепь нервных клеток (рефлекторная дуга), формирова- формирование которой происходит еще в эмбриональном периоде. Каж- Каждая такая дуга имеет определенную, генетически заданную локализацию в ЦНС животного. В случае позвоночных мы можем сказать, что дуги наиболее простых безусловных реф- рефлексов расположены в спинном мозге. Чем сложнее врожден- врожденная реакция, тем ближе к переднему мозгу локализованы обеспечивающие ее нейроны, и центры наиболее сложных безусловных рефлексов обнаруживаются в гипоталамусе, являясь, по сути, центрами биологически значимых потреб- потребностей. Запуск каждого безусловного рефлекса осуществляется очень узким, генетически предопределенным набором сигна- сигналов (пища, боль). Если такой раздражитель подействовал на организм, реакция обязательно будет запущена, и чем силь- сильнее раздражитель, тем более выражена реакция. Для обозна- обозначения сигналов, запускающих безусловные рефлексы, часто используется термин подкрепление. Следовательно, первое из условий выработки приобретенных рефлексов можно сформу- сформулировать следующим образом: «Необходимо повторное соче- сочетание исходно незначимого стимула и подкрепления». Условные рефлексы являются приобретенными, т. е. ин- индивидуальны. ЦНС каждой конкретной особи формирует уни- уникальный набор условных рефлексов как результат собственно- собственного жизненного опыта. Условные рефлексы не наследуются, поскольку не существует механизмов переноса индивидуаль- индивидуального опыта нейронных сетей на структуру ДНК, которая, соб- собственно, и передается потомству. Рефлекторные дуги, на базе которых реализуются услов- условные реакции, по классическим представлениям Павлова, ло- локализованы в коре больших полушарий. В настоящее время известно, что процессы обучения захватывают также такие области головного мозга, как кора мозжечка и полосатое тело базальных ганглиев. Нервную связь, возникающую при фор- формировании условного рефлекса, Павлов назвал также услов- условной связью и временной связью. Второй термин подчеркивает относительную нестойкость приобретенных рефлексов, их способность при выполнении определенных условий не только
4.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ УЧЕНИЯ О ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 199 укрепляться, стабилизироваться, но и ослабляться, блокиро- блокироваться. Запуск условного рефлекса может осуществляться любым исходно индифферентным стимулом, если в ходе обучения произошло установление временной связи между соответст- соответствующим сенсорным центром и корковым представительством безусловного рефлекса. При этом исходно индифферентный сигнал приобретает для организма значимость и превращает- превращается в условный стимул (условный раздражитель). Попробуем теперь разобраться в функциональном значе- значении условных рефлексов. По какой причине они появляются в ходе эволюции и какую пользу приносят? Легко понять, что даже самый полный набор безусловных рефлексов не способен вместить все разнообразие стимулов, с которыми особь может столкнуться в реальной жизни. Таким образом, условные реф- рефлексы, возникая как надстройка над врожденными схемами поведения, во много раз расширяют возможности реагирова- реагирования организма (рис. 4.7). Однако это еще не все. Чем по сути своей являются услов- условные раздражители? Это факторы внешней среды, которые не- несколько раз совпали с действием подкрепления. Исходя из этого, мозг, способный к формированию условных связей, Исходно незначимый стимул Условная Врожденно определенный стимул (подкрепление) Рис 4.7. Схема, иллюстрирующая представление о «над- «надстраивании» приобретенных (условных) рефлексов под врожденными (безусловными): 1 — сенсорный нейрон, воспринимающий действие подкрепления; 2 — релейный (передающий) нейрон; 3 — двигательный (вегетативный) нейрон, запускающий ответную реакцию; 4 — сенсорный нейрон, воспринимающий действие исходно незначимого стимула; нейроны 1, 2, 3 образуют дугу безусловного реф- рефлекса, нейроны 4, 2,3 — дугу условного рефлекса
200 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ рассматривает их в дальнейшем как сигналы, сопутствующие подкреплению и сигнализирующие о скором его появлении. Упрощая ситуацию, можно сказать, что существо, обладаю- обладающее только безусловными рефлексами, ест тогда, когда на- наткнется на пищу. Если же особь способна вырабатывать услов- условные рефлексы, то ранее ей неизвестный запах после несколь- нескольких совпадений с пищей приобретет функции «подсказки». Почувствовав этот запах, особь начнет более активно совер- совершать поисковые движения, поскольку получила сигнал о бли- близости подкрепления. В результате такой организм окажется способным более успешно добывать пищу, чем существо, «за- «запрограммированное» только на безусловно-рефлекторные ре- реакции. Аналогичные примеры можно привести для оборонитель- оборонительного, полового и прочих жизненно важных типов поведения. В целом это значит, что обладание способностью к формирова- формированию условных рефлексов дает организму преимущества в борьбе за существование, позволяет ему с большей вероятно- вероятностью выживать и оставлять потомство. Появление условных рефлексов в ходе эволюции поведе- поведения означает переход ЦНС к реакциям вероятностного про- прогнозирования изменений во внешней среде. Условные стиму- стимулы выделяются мозгом из сенсорного потока как факторы, сигнализирующие о скором появлении подкрепления. Реаги- Реагирование на них позволяет запустить ту или иную поведенче- поведенческую программу заранее, еще до появления подкрепления, подготовиться к наступающим событиям и опередить возмож- возможных конкурентов. Чем крупнее относительно размеров тела мозг, тем большее место в поведении особи имеют приобретен- приобретенные реакции, сложность которых увеличивается в филогене- филогенезе. Вторым шагом на пути роста способности к вероятностно- вероятностному прогнозированию стало появление речевых систем мозга (см. разд. 4.10). Итак, мы ввели основные понятия физиологии ВНД, ко- которые будем использовать при дальнейшем изложении мате- материала. Павлов определил ВНД как деятельность высших отделов нервной системы, в основе которой лежат условные и слож- сложные безусловные рефлексы. Существует также понятие низ- низшей нервной деятельности как совокупности относительно простых врожденных вегетативных реакций. Высшая нерв- нервная деятельность — это поведение животных и человека, она присуща всем животным, обладающим нервной системой.
4.3. РАЗНООБРАЗИЕ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 201 4.3. РАЗНООБРАЗИЕ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ Врожденные формы поведения (безусловные рефлексы и инстинкты) выработались в процессе эволюции как результат приспособления к определенным, относительно постоянным условиям среды. Они наделяют особь комплексом поведенче- поведенческих программ, готовых к употреблению при первой необхо- необходимости. Их роль в поведении преобладает в случае животных с коротким временем жизни (беспозвоночные). Например, самка дорожных помпилов (одного из видов одиночных ос) по- появляется из куколки весной и живет только несколько не- недель. За это время она должна успеть встретиться с самцом, поймать добычу (паука), выкопать норку, затащить паука в норку, отложить яйцо, запечатать норку — и так несколько раз. Оса выходит из куколки уже «взрослой» и сразу же гото- готова к выполнению своей деятельности. Это не значит, что пом- пила не способна к обучению. Например, она может и должна запоминать место расположения своей норки, что требует формирования соответствующего условного рефлекса. У высокоорганизованных позвоночных животных ситу- ситуация иная. Например, волчонок рождается слепым и совер- совершенно беспомощным. Конечно, при рождении у него присут- присутствует ряд безусловных рефлексов, но их явно недостаточно для полноценной жизни. По мере роста происходит процесс интенсивного обучения, в результате чего животное готово к самостоятельному существованию. Изучением жизни и поведения особи в естественной для нее среде занимается наука этология. Наиболее сложная зада- задача, стоящая перед ней, — описать взаимодействие врожден- врожденных и приобретенных компонентов поведения. Действитель- Действительно, по ходу жизни на инстинктивную деятельность животного накладываются дополнительно образовавшиеся условные рефлексы, и поскольку у разных особей они отличаются, то и конечные проявления инстинктов, преследуя общую цель, также могут отличаться у разных представителей одного ви- вида. Например, птицы, обитающие в разных местностях, могут использовать при постройке гнезда разные материалы. Веду- Ведущая роль в создании этологии как самостоятельной науки принадлежит австрийскому ученому К. Лоренцу и голланд- голландскому ученому Н. Тинбергену. Физиология ВНД, со своей стороны, изучает поведение животных в строго контролируемых лабораторных условиях. Конечно, это поведение проще, чем в реальной природной ере-
202 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ де. Но именно такое упрощение позволяет анализировать меха- механизмы деятельности мозга, которые в противном случае могут быть замаскированы различными случайными реакциями. Разнообразие безусловных рефлексов предполагает и разно- разнообразие способов их подразделения на типы. В качестве приме- примера приведем классификацию, которая была предложена акаде- академиком П. В. Симоновым. Она достаточно полно учитывает все основные варианты врожденного поведения (табл. 4.1). Таблица 4.1 ТИПЫ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ (ПО П. В. СИМОНОВУ) Витальные Пищевые, питье- питьевые Пассивно- и активно-оборони- активно-оборонительные Гомеостатические Груминг Рефлекс экономии сил Зоосоциальные Половые Детское и роди- родительское поведение Территориальные Стайные (иерархические) Саморазвития Исследовательские Рефлекс свободы Подражательные Игровые Симонов предложил выделить три группы безусловных рефлексов: витальные (лат. vita — жизнь), зоосоциальные и саморазвития, различающиеся по особенностям взаимодейст- взаимодействия с окружающей средой и другими особями своего вида. Ви- Витальные рефлексы можно определить как направленные на сохранение самой жизни индивидуума. Они отвечают двум ус- условиям: во-первых, невыполнение того или иного рефлекса из этой группы ведет к гибели особи; во-вторых, реализация ви- витального рефлекса не требует участия другой особи того же вида. К зоосоциалъным (ролевым) рефлексам отнесены те ва- варианты врожденного поведения, которые возникают при взаи- взаимодействии с другими особями своего вида. Сложнее всего определяются рефлексы саморазвития. Симонов предлагает отнести в эту группу реакции, не связанные с адаптацией к те- текущей ситуации, а как бы «обращенные в будущее». Если на- наблюдать за реализацией такого рефлекса, то он нередко вы-
4.3. РАЗНООБРАЗИЕ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 203 глядит как бессмысленный поведенческий акт. Однако это не так, и у протекающей реакции имеется биологическое значе- значение, которое становится очевидным спустя некоторое время. Рассмотрим подробнее перечисленные группы безуслов- безусловных рефлексов. Наиболее изученным вариантом витальных врожденных реакций являются пищевые и питьевые безусловные рефлек- рефлексы. В качестве стимулов, запускающих их (в качестве под- подкрепления), выступают пища и вода. При этом можно зареги- зарегистрировать большое количество реакций, возникающих на разных уровнях ЦНС. Уровень сложности этих рефлексов также очень сильно различается, и на одном полюсе находят- находятся простейшие вегетативные и мышечные реакции (слюно- (слюноотделение, жевание, глотание), на другом — сложные дви- двигательные рефлекторные комплексы, связанные с пресле- преследованием и выслеживанием добычи, ожиданием в засаде, реакцией «смертельного укуса» у кошачьих, запасанием пи- пищи. Особенно интересные и сложные формы врожденно пище- пищевого поведения проявляют пауки, плетущие геометрически правильные ловчие сети из нескольких типов паутины. Пле- Плетение сети — пример сложного безусловно-рефлекторного по- поведения. Таким образом, даже относительно небольшая и, ка- казалось бы, несложная нервная система может содержать в се- себе высокоорганизованные врожденные двигательные навыки. Нередко можно наблюдать, что в качестве раздражителей, запускающих пищевое и питьевое поведение, врожденно за- запрограммированы не только вкусовые сигналы, но и стимулы, поступающие от других сенсорных систем: тактильные (при- (прикосновение к губам вызывает сосательный рефлекс), зритель- зрительные (цыпленок клюет мелкие предметы), слуховые (реакция хищника на шорох). Особую важность имеет осуществляемая нейронами гипоталамуса оценка состояния внутренней среды организма и в первую очередь содержания глюкозы и солей в плазме крови. Снижение концентрации глюкозы и повыше- повышение содержания NaCl выступают как факторы запуска пище- пищевого и питьевого поведения, вызывают развитие пищевой и питьевой мотиваций и субъективно осознаются нами как чувство голода и жажды. Вторая группа витальных безусловных реакций — это раз- различные типы оборонительного поведения, направленного прежде всего на прекращение болевых ощущений. Боль — это особая сенсорная модальность, сопровождающая действие различных агентов, повреждающих ткани организма. Она ха-
204 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ рактеризуется особенно высоким уровнем значимости, и появ- появление боли часто является сигналом к остановке текущей де- деятельности особи. Существует два варианта оборонительного поведения: пассивно-оборонительные и активно-оборонитель- активно-оборонительные рефлексы. Первые направлены на избегание источника бо- боли путем ухода из сферы его действия (реакции страха, бегст- бегства, затаивания); вторые позволяют избавиться от источника боли путем нападения на него и активного устранения пред- представляющего опасность воздействия (реакции агрессии). Про- Простейший пример пассивно-оборонительных реакций — реф- рефлекс отдергивания конечности при ожоге; активно-оборони- активно-оборонительной реакции — попытка укусить причиняющий боль объект. Пассивно- и активно-оборонительные рефлексы связаны с разными центрами головного мозга (заднего гипоталамуса). Следовательно, в зависимости от условий у одной и той же осо- особи могут возникать как реакции страха, так и реакции агрес- агрессии. Первые более характерны для травоядных млекопитаю- млекопитающих; вторые относительно легко возникают у хищников. Вмес- Вместе с тем даже безобидное и слабое существо, будучи лишено возможности бегства, способно оказывать серьезное сопротив- сопротивление. И наоборот, самые сильные и опасные хищники часто предпочитают не ввязываться без особой причины в конфлик- конфликты, выбирая пассивно-оборонительный вариант поведения. Оборонительные реакции могут запускаться не только болью. Они достаточно хоро- хорошо проявляются при любых сильных и внезапных сенсор- сенсорных воздействиях (реакции вздрагивания, зажмуривания), а также при более специфиче- специфических стимулах, таких, как по- появление в темноте двух све- светящихся точек-«глаз» или движение над головой силу- силуэта хищной птицы (в обоих случаях можно наблюдать затаивание новорожденных птенцов (рис. 4.8)). Оборони- Оборонительные реакции могут быть включены в более сложные бе- безусловно-рефлекторные комп- «Гусь» »Ястреб» с—.—.у \ ( ! ^ л/ ^-"' Рис 4.8. Этот силуэт похож на гуся, если двигать его в одном направлении, и на ястреба — если в другом. Во втором случае гусята демонстрируют реакцию затаивания
4.3. РАЗНООБРАЗИЕ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 205 лексы. В этом случае они нередко выступают в качестве ста- стадии инстинктивных программ, связанных с половым, терри- территориальным и другими видами врожденного поведения. Чрезвычайно важной группой витальных безусловных рефлексов являются гомеостатические реакции нервной сис- системы. Понятие гомеостаза подразумевает поддержание посто- постоянства внутренней среды организма, т. е сохранение широко- широкого круга его физико-химических параметров на стабильном уровне. Имеются в виду самые разные вегетативные и нейро- эндокринные механизмы. В качестве примера можно привес- привести систему контроля постоянной температуры тела. Этот контроль осуществляется за счет способности ряда нейронов гипоталамуса оценивать температуру крови. При ее пониже- понижении запускается рефлекс сужения сосудов кожи (экономия тепла) и включаются мелкие непроизвольные мышечные со- сокращения (дрожь). Если температура крови оказывается вы- выше нормы и организму грозит перегрев, то начинается потоот- потоотделение, происходит расширение периферических сосудов и теплоотдача увеличивается. От качества реализации гомеоста- тических рефлексов зависит в конечном итоге наше здоровье, а их нарушение ведет к психосоматическим расстройствам. К гомеостатическим рефлексам примыкают такие жизненно важные реакции, как регуляция дыхания, а также поддержа- поддержание суточных (циркадных) ритмов. В последнем случае речь идет о целой системе «сон — бодрствование», которая будет подробно рассмотрена ниже. К витальным рефлексам относят также так называемый груминг и рефлекс экономии сил. Первый из них заключается в различных реакциях по уходу за собственным организмом (вылизывание, вычесывание, у птиц — смазка перьев). Гру- Груминг часто наблюдается в ситуациях, когда у индивидуума от- отсутствуют более насущные потребности, однако без его пери- периодической реализации многие органы быстро бы «вышли из строя». Рефлекс экономии сил можно определить следующим образом: из возможных путей достижения цели животное вы- выбирает наиболее легкий, требующий наименьшей затраты энергии. Биологический смысл этого рефлекса очевиден, по- поскольку позволяет снизить потребление пищи, а значит, особь меньше подвергается опасностям, связанным с ее поисками. Можно проследить этот рефлекс и в эксперименте: если пред- предоставить обезьяне возможность получать пищу, поворачивая тяжелый либо (по ее выбору) легкий рычаг, то животное будет явно предпочитать последний.
206 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Наибольшее значение среди зоосоциальных рефлексов име- имеет половое поведение, наблюдаемое на всех уровнях эволюции. Для его адекватной реализации необходимы два фактора: соот- соответствующий гормональный фон и определенные, генетиче- генетически заданные запускающие внешние стимулы. Гормональный фон создается активностью половых желез. При этом ключе- ключевое значение имеет содержание в крови андрогенов. Как известно, для подавляющего большинства позвоноч- позвоночных характерно сезонное размножение, что связано с клима- климатическими ритмами, т. е. с изменениями температуры окру- окружающей среды и доступностью пищи. У таких животных «всплеск» половых гормонов и половой активности наблюда- наблюдается только один-два раза в год. В остальное время они (по крайней мере самки) утрачивают способность к размноже- размножению. Ряд видов млекопитающих (среди них человек, крысы, не- некоторые обезьяны) приобрели в ходе эволюции способность к круглогодичному размножению, что связано со стайным обра- образом жизни, при котором «общественный статус» самки, спо- способной к спариванию, а также беременной либо кормящей су- существенно выше, чем небеременной самки. Конечно, и в этом случае сохраняются колебания уровня половых гормонов, но они более сглажены по сравнению с сезонным вариантом размножения. Сенсорные стимулы, запускающие половое поведение, мо- могут быть очень разнообразны. Как правило, вначале самец и самка должны опознать друг друга на значительном расстоя- расстоянии или самец должен найти самку. «Подсказками» служат видоспецифичные запахи, характерные для млекопитающих, ночных бабочек, жуков. В случае многих птиц и рыб указате- указателями половой принадлежности и факторами привлечения осо- особей противоположного пола выступают особенности внешнего вида (отсюда яркая окраска, особенно в сезон размножения). У птиц, а также у кузнечиков, цикад, бесхвостых земновод- земноводных и других «певцов» аналогичную функцию выполняют звуковые сигналы. Во всех этих случаях сенсорный анализ (нередко требующий опознавания весьма сложных зритель- зрительных и слуховых образов) является составной частью врожден- врожденных поведенческих программ. Он протекает без обучения на жестко детерминированных сетях нейронов, имеющих гене- генетически предопределенные структуру и функцию. Когда самец и самка встретились, на первое место выходят тактильные стимулы, цель которых — ослабить возможные
4.3. РАЗНООБРАЗИЕ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 207 проявления страха или агрессии и подготовить переход к соб- собственно половому поведению. Это задача очень важна, по- поскольку во многих случаях самец существенно уступает в раз- размерах самке, и она в первый момент может рассматривать его не только как потенциальный источник опасности, но и как возможную добычу. Самым известным примером из этой об- области являются брачные отношения пауков, в результате ко- которых значительная часть самцов погибает. Разница в размерах между самцами и самками вполне за- закономерна с эволюционной точки зрения: по сравнению со сперматозоидами женские половые клетки должны быть су- существенно больше, поскольку несут запас питательных ве- веществ для развития зародыша; следовательно, организм сам- самки должен быть крупнее организма самца. Кроме того, мать нередко переносит яйца, заботится о питании детенышей, что также подразумевает более крупные по сравнению с самцом размеры. И только тогда, когда самцы начинают принимать участие в выращивании потомства, защищать территорию гнезда, добывать пищу для самки и детенышей, можно наблюдать увеличение размеров их тела. Половое поведение демонстрирует широкий спектр отно- отношений — от немедленного спаривания до сложных ритуали- ритуализированных взаимодействий (турниры и ухаживания). Этоло- гический анализ показал, что первый тип полового поведения обычно наблюдается в ситуациях, когда самка способна вырас- вырастить (и выращивает) потомство без помощи самца (условия обитания относительно безопасны, а пища в избытке). Если же самец будет выполнять свою часть родительских функций, поведение самки оказывается направленным на вы- выбор наиболее подходящего кандидата. Используемые при этом критерии выбора весьма разнообразны и также являются ком- компонентами врожденных поведенческих программ. При тур- турнирном поведении ключевой признак наиболее «подходящего» самца — это победа над соперниками в некотором, обычно ри- ритуализированном сражении. Ритуализация здесь означает, что в ходе эволюции полового поведения в большинстве слу- случаев возникли способы бескровной (а часто и бесконтактной) оценки сил соперников. Конкретные примеры можно найти в небольшой, но очень интересной книге К. Лоренца «Агрес- «Агрессия». В ней, в частности, описываются принимаемые побеж- побежденным самцом позы покорности, которые немедленно оста- останавливают направленную на него атаку. Биологический смысл турниров очевиден — отцами детенышей преимущест-
208 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ венно становятся наиболее крупные и сильные самцы, что улучшает генотип популяции в целом. Именно этот процесс привел к тому, что у большинства млекопитающих самцы оказались крупнее самок и эффективно выполняют защитную функцию по отношению как к детенышам, так и к самим самкам. Поведение ухаживания заключается в демонстрации сам- самцом некоторых ключевых стимулов (песня; яркая окраска и размер различных частей тела; построенное гнездо) либо в ри- ритуальных двигательных реакциях («танцы»; движения, подоб- подобные движениям детенышей; игровое поведение; кормление самки). Наибольшим успехом обычно пользуется самец, полу- получивший самый высокий «балл», причем оценка «выставляет- «выставляется» самками на основании врожденно заложенных критериев. Поэтому можно наблюдать не только адаптивно целесообраз- целесообразные, но и адаптивно бессмысленные и даже вредные результа- результаты полового отбора (например, развитие ярко окрашенного и чрезвычайно длинного хвоста у самцов павлинов). Кратко охарактеризуем другие типы зоосоциальных безус- безусловных рефлексов. Кроме полового поведения, к ним относят- относятся различные варианты детско-родительского взаимодейст- взаимодействия. Со стороны родителей (прежде всего матери) эта группа врожденных реакций включает строительство убежища-гнез- убежища-гнезда, кормление, чистку, перетаскивание детенышей, их защи- защиту, позже — игру и наказания. При этом запускающее дейст- действие оказывает внешний вид и запах детеныша, издаваемые им звуки, а также сложные изменения гормонального статуса самки, в том числе связанные с деятельностью молочных же- желез. Так, врожденная рефлекторная дуга, обеспечивающая кормление, сформирована у млекопитающих таким образом, что сам факт механического воздействия детеныша на соски воспринимается мозгом самки (передние зоны гипоталамуса) как подкрепление и вызывает положительные эмоции. Со стороны детеныша мы также можем наблюдать значи- значительное количество врожденных поведенческих реакций, за- запускаемых различными вариантами взаимодействия с сам- самкой. Это сосание матери, стремление к физическому контакту с ней, реакции замирания при переноске, видоспецифичные «призывные крики» оставшегося в одиночестве детеныша, ре- реакции следования и т. п. Параллельно можно наблюдать про- протекание различных форм обучения, позволяющих особи в дальнейшем нормально реализовать различные более «тон- «тонкие» варианты зоосоциального поведения. Животные, вырос-
4.3. РАЗНООБРАЗИЕ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 209 шие в изоляции, характеризуются нарушениями такого пове- поведения и не могут нормально взаимодействовать с особями своего вида. Зоосоциальное поведение не ограничивается рамками семьи. Следующим его вариантом является так называемое территориальное поведение, характерное для взаимодейст- взаимодействия особей в популяции и заключающееся в разделе области обитания на отдельные охотничьи и гнездовые участки. Ис- Исходной причиной появления такого поведения в ходе эволю- эволюции стало несоответствие между ресурсами территории, где живет популяция (недостаток пищи, мест для строительства гнезд), и количеством особей в ней. Иными словами, террито- территориальные безусловные рефлексы — это поведенческий меха- механизм защиты от перенаселения, т. е. ситуации, когда резко возрастает риск голодной смерти, эпидемий и прочих вредных для популяции событий. Существует большое разнообразие форм территориального поведения — в зависимости от того, на какой срок, с какими целями и какими способами происходит раздел «сфер влия- влияния», каким образом он в дальнейшем сохраняется. В про- простейшем случае участок занимает первая оказавшаяся на нем особь. Размер участка — генетически заданная характерис- характеристика (определяется потребностью в получении необходимого количества пищи). В дальнейшем можно наблюдать различ- различные поведенческие реакции, связанные с охраной террито- территории: прямое нападение на «агрессора», мечение границ с по- помощью видоспецифичных запахов, голосовые реакции (одна из функций песни у птиц). Компонентом территориального поведения являются и рефлексы «чужака», попавшего на уже занятый участок. Они протекают в виде пассивно-оборо- пассивно-оборонительных реакций и поз подчинения, за которыми следует бегство. Если же речь идет о переделе территории или о борь- борьбе за освободившийся участок, то здесь возможны различные варианты внутривидовой агрессии — от турниров до на- нанесения травм различной степени тяжести. Нередко разделе- разделение территории происходит независимо для самцов и самок; их участки оказываются взаимопересекающимися, но проявле- проявление территориального поведения провоцирует лишь встреча с особью своего пола. Еще более сложный и многообразный характер имеют врожденные рефлексы, связанные с поведением животного в стае (сообществе). Имеются в виду иерархически организо- организованные стаи с четким выделением вожака и нескольких уров-
210 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ней подчиненных. Такие стаи следует отличать от так назы- называемых однородных стай (без вожака) и семейных стай (как правило, временных и весьма небольших). В иерархических сообществах вожаком может быть и самец (обезьяны), и самка (гиены, слоны). Его взаимодействие с «нижестоящими» вклю- включает позы доминирования и покорности, а также внутривидо- внутривидовую агрессию разного уровня напряженности. Подобные кон- контакты можно наблюдать и на остальных ступеньках стайной иерархии, которая часто независима для самцов и самок. Стремление к доминированию «в своем кругу» — одна из мощнейших врожденных потребностей человека. Третий тип безусловных рефлексов — рефлексы самораз- саморазвития, которые характеризуются как «направленные в буду- будущее». Понять это определение легче всего на примере исследо- исследовательского поведения, в ходе которого подкреплением являет- является новая информация. В момент получения мозгом такой информации еще не ясно, как она будет использована (запустит пищевое, половое или какое-либо другое поведение) и будет ли использована вообще. Однако сбор информации при появлении изменений в окружающем мире обязательно происходит и ос- основан на целом ряде безусловно-рефлекторных механизмов. В простейшем виде исследовательское поведение проявля- проявляется как ориентировочный рефлекс (по терминологии Павло- Павлова, рефлекс «что такое?»). В этом случае можно наблюдать ха- характерный комплекс движений, возникающий при появле- появлении в среде нового раздражителя: поворот глаз, головы, ушей, всего тела в сторону источника сигнала. Биологический смысл происходящего состоит в том, чтобы привести органы чувств в положение, обеспечивающее максимально эффектив- эффективное восприятие новой информации. Ориентировочный реф- рефлекс в наиболее четком виде запускается неожиданными зри- зрительными и слуховыми сигналами. Центры запуска ориенти- ориентировочного рефлекса локализованы в четверохолмии среднего мозга. Более сложная форма исследовательского поведения — это активные поисковые рефлексы. Крыса, собака, кошка, чело- человек, попав в новое помещение, активно его изучают с целью обнаружения пищи, опасности и т. п. Это изучение сопровож- сопровождается осмотром территории, подходами к потенциально ин- интересным объектам, их разглядыванием, обнюхиванием, про- бованием «назуб». Самый сложный вариант исследовательского поведения — манипуляции с предметами, характерные для приматов. В этом
4.3. РАЗНООБРАЗИЕ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 211 случае можно наблюдать тонкие движения пальцев, с по- помощью которых обезьяна или человек ощупывают предмет, пытаются его разломать или раскрутить (деструктивные манипуляции). При этом мы получаем большое количество дополнительной информации, касающейся возможного ис- использования данного предмета в различных видах деятель- деятельности. К рефлексам саморазвития относят также рефлекс свобо- свободы. Суть его состоит в преодолении ограничения свободы пе- перемещения в пространстве. Именно по этой причине живот- животные стремятся оборвать привязь, разрушить стены своей клет- клетки, выбраться из ямы. Биологический смысл происходящего очевиден, поскольку особь, лишенная (или почти лишенная) способности передвигаться, очень скоро погибнет от жажды и голода либо окажется жертвой хищников. Сам термин «реф- «рефлекс свободы» введен Павловым, который наблюдал его в рез- резко усиленной форме у некоторых собак. Такие животные ста- становились непригодными для обучения по стандартным мето- методам выработки условных рефлексов (последние включают закрепление собаки с помощью ремней). В очень ярком виде рефлекс свободы проявлялся и в экспериментах Торндайка («проблемные ящики», «метод проб и ошибок»), а также в опытах отечественного исследователя В. П. Протопопова, ког- когда в ящик помещалось не животное, а пища. Подражательное поведение — также одна из форм прояв- проявления рефлексов саморазвития. Когда животное повторяет чью-либо реакцию, смысл его деятельности часто не ясен (по- (поскольку какое-либо реальное подкрепление отсутствует), но сам принцип подражания как способ негенетической переда- передачи информации от особи к особи доказал свою целесообраз- целесообразность и потому закрепился в ходе эволюции. В простейшем случае подражание идет по схеме «делай, как сосед». Такого рода реакции особенно характерны для однородных стай, когда поворот одной рыбы, скажем, направо вызовет поворот ее соседей. Биологический смысл происходящего достаточно понятен: повернувшая первой рыба может располагать полез- полезной информацией, которой нет у находящейся рядом особи. Огромное значение имеет подражание по схеме «делай, как родитель». Стремление детеныша имитировать поведение матери и отца является той врожденной основой, на базе кото- которой формируется огромное количество подражательных ус- условных рефлексов. Третий вариант — «делай, как вожак» ха- характерен для иерархических стай. Выработав у обезьяны-во-
212 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ жака условный рефлекс нажатия на рычаг (для получения пищи), можно затем обнаружить ту же реакцию у других чле- членов стаи. Последнее, о чем хотелось бы упомянуть, — это игровое по- поведение. Наблюдая за котенком, преследующим бантик, или за борющимися щенками, мы можем в первый момент оцени- оценивать их поведение как бессмысленное. Однако эти и другие по- подобные реакции — по сути, тренировка навыков (в том числе навыков внутривидового общения), которые понадобятся осо- особи во взрослой жизни. Так что и здесь «направленность в бу- будущее» как наиболее характерная черта рефлексов саморазви- саморазвития прослеживается достаточно четко. В случае человека к иг- игровым типам поведения можно отнести различные формы непрофессионального спорта, а также разнообразные детские подвижные игры. Заканчивая краткий обзор безусловных рефлексов, еще раз подчеркнем, что они являются той основой, на которой «растет» все многообразие поведения. Проследив даже самые сложные приобретенные реакции, мы можем обнаружить их врожденный фундамент, который в свое время явился как бы «источником энергии», позволившей реализовать процессы обучения. В случае беспозвоночных мы видим сложнейшие, отточен- отточенные миллионами лет эволюции комплексы врожденных реф- рефлексов — инстинкты, которые в ходе индивидуального (как правило, очень непродолжительного) существования особи лишь немного дополняются приобретенными реакциями. В случае высокоразвитых позвоночных картина существенно иная, и их инстинктивные реакции по ходу индивидуального развития оказываются очень мощно перекрыты условно-реф- условно-рефлекторными «наслоениями». При этом резко возрастает уро- уровень адаптивности поведения каждой конкретной особи, что позволяет ей существовать и размножаться длительное время. Особенно сложен процесс формирования приобретенных реакций у человека. Поэтому стремление выявить врожден- врожденные основы нашего поведения присуще не только физиоло- физиологам, но и психологам. В последнем случае нередко можно на- наблюдать заметные «перекосы», когда та или иная психологи- психологическая теория постулирует преимущественную важность, доминантность только одной из сфер — полового поведения C. Фрейд), агрессивного поведения и стремления к лидерству «в стае» (А. Адлер) и т. д.
4.4. РАЗНООБРАЗИЕ УСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 213 4.4. РАЗНООБРАЗИЕ УСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ Каждый условный рефлекс можно характеризовать по трем основным признакам: 1) типу безусловного рефлекса, на базе которого вырабаты- вырабатывается условная реакция (иначе, типу подкрепления); 2) типу сенсорной системы, воспринимающей исходно не- незначимый сигнал, превращающийся позже в сигнал услов- условный; 3) типу регистрируемой реакции (иначе, эффекторному от- ответу) (табл. 4.2). КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМ УСЛОВНО-РЕФЛЕКТОРНОГО ПОВЕДЕНИЯ Таблица 4.2 Признак По типу безусловного рефлекса По типу условного сигнала По типу реакции Конкретные варианты Пищевые Пассивно-оборонительные Половые и др. С положительным подкрепле- подкреплением С отрицательным подкреплением Зрительные Слуховые Обонятельные и др. Вегетативные Двигательные (в том числе инструментальные) Исходя из первого признака выделяют пищевые, пассив- пассивно-оборонительные, активно-оборонительные, половые, под- подражательные и прочие условные рефлексы. Чем значимее для организма подкрепление (чем сильнее возникающий безус- безусловный рефлекс), тем быстрее идет обучение и прочнее оказы- оказывается условная связь. При этом выделяют положительный и отрицательный типы подкрепления. К первому типу относят- относятся подкрепляющие сигналы, получение которых благоприят-
214 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ но с биологической точки зрения (пища); ко второму — те, чье воздействие на организм неблагоприятно и имеет повреждаю- повреждающий характер (болевые стимулы). Следовательно, все вариан- варианты обучения можно разделить на протекающие с положитель- положительным и отрицательным подкреплением. С реакцией на положительное подкрепление связан центр положительного подкрепления, расположенный в средней части гипоталамуса; его активность субъективно воспринима- воспринимается как положительные эмоции. Реакцию на любое отрица- отрицательное подкрепление обеспечивает центр отрицательного подкрепления, расположенный в задней части гипоталамуса. Его активность субъективно воспринимается как отрицатель- отрицательные эмоции. При этом положительные эмоции возникают так- также при успешном избавлении от отрицательного подкрепле- подкрепления, а отрицательные эмоции — при отсутствии ожидаемого положительного подкрепления. В целом поведение организуется таким образом, чтобы ак- активация центра положительного подкрепления наступала воз- возможно чаще, активация центра отрицательного подкрепле- подкрепления — возможно реже. Второй фактор особенно важен, по- поскольку означает избегание потенциально опасных ситуаций. В результате оказывается, что обучение, проводящееся на фо- фоне отрицательного подкрепления, как правило, протекает бы- быстрее, а соответствующие условные рефлексы оказываются более стойкими. Перейдем ко второму из перечисленных признаков услов- условных рефлексов. Необходимыми участниками процесса обуче- обучения являются сенсорные центры, реагирующие на условные раздражители и формирующие временные связи с корковыми представительствами безусловных рефлексов. В зависимости от типа задействованной сенсорной системы можно выделить зрительные, слуховые, вкусовые, кожные, обонятельные ус- условные рефлексы. Иногда, делая акцент на специфике услов- условного сигнала, говорят о световых, звуковых, тактильных, температурных условных рефлексах. Параметры применяемого исходно индифферентного сиг- сигнала должны соответствовать сенсорным способностям живот- животного (уровню и особенностям развития его органов чувств): у плохо видящих существ сложно вырабатывать зрительные условные рефлексы, а у лишенных обоняния (например, дель- дельфинов) невозможно сформировать реакцию на запах. Сила сигнала также должна быть оптимальной, если мы хотим провести обучение максимально быстро. Слишком сильный сигнал способен вызвать запуск врожденных оборонительных
4.4. РАЗНООБРАЗИЕ УСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 215 реакций, слишком слабый — не сможет в достаточной мере активировать корковые сенсорные центры. Еще один важ- важный момент — новизна подаваемого сигнала: чем привычнее будущий условный стимул, тем медленнее формируется реф- рефлекс. Третье из свойств всякого условного рефлекса — тип реги- регистрируемой реакции. Существует два основных варианта: ин- интересующий нас поведенческий ответ протекает как реакция скелетной мускулатуры либо как реакция некоторого внут- внутреннего органа. В первом случае говорят о двигательных, во втором — о вегетативных условных рефлексах. Методика формирования вегетативного условного рефлекса описана выше на примере работ Павлова. В случае двигатель- двигательных условных реакций «технология» обучения несколько иная: она сводится к тому, что, отслеживая разнообразные движения животного, вы подкрепляете пищей только некото- некоторые из них (например, переход в определенное место экспери- экспериментальной камеры). При этом важно, чтобы данные движе- движения были достаточно естественными для изучаемого организ- организма. Если обучение идет с отрицательным подкреплением, то экспериментатор, включив болевое воздействие, прекращает его лишь после выполнения двигательной реакции. Если в ре- результате действий животного или человека происходит изме- изменение в окружающей среде (нажатие на педаль или кнопку, от- открывание двери), такие двигательные условные рефлексы на- называют инструментальными (оперантными). Важно понять, что в случае двигательных условных реак- реакций в качестве «корковых представительств безусловных реф- рефлексов» выступают различные области моторной (прецент- ральной) коры. Следуя генетически предопределенным про- программам, через них реализуются двигательные компоненты врожденных исследовательских, пассивно-оборонительных, агрессивных ответов и др. Именно к ним «присоединяются» за счет формирования временных связей различные сенсор- сенсорные корковые центры. Если мы хотим достаточно точно описать процесс установ- установления временной связи, необходима скрупулезная оценка па- параметров возникающих реакций. Измерить реакцию внутрен- внутренних органов можно лишь с использованием различных при- приборов. Так, различные электрофизиологические методики позволяют в настоящее время оперативно определять не толь- только частоту сердечных сокращений и артериальное давление, но и содержание кислорода в крови, активность потовых же-
216 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ лез (кожно-гальваническая реакция), сокращения стенок же- желудочно-кишечного тракта. В случае двигательных условных рефлексов реакция орга- организма оказывается «на виду». Остается лишь измерить ско- скорость и время движения особи к источнику положительного подкрепления или оценить степень избегания источника от- отрицательного подкрепления. Методики двигательного обучения относительно просты, обычно не требуют оперирования животных и электрофизи- электрофизиологической регистрации. В результате они получили более широкое распространение, чем способы выработки вегетатив- вегетативных условных рефлексов. Сейчас экспериментаторов сравни- сравнительно редко занимают особенности самого процесса формиро- формирования временных связей, которые достаточно хорошо изуче- изучены. В настоящее время различные условно-рефлекторные методики используются прежде всего для оценки действия на процессы обучения различных физико-химических и пси- психофармакологических факторов. Экспериментальными жи- животными являются преимущественно крысы и мыши — жи- животные, с одной стороны, обладающие сложной нервной де- деятельностью; с другой — относительно мелкие и удобные в содержании. При этом произошла стандартизация экспери- экспериментальных процедур, что позволяет исследователям разных стран сопоставлять полученные результаты. Рассмотрим три наиболее часто применяемые методики: выработку условной реакции активного избавления, выработку условной реакции пассивного избегания и выработку двигательного пищедобы- вательного навыка в лабиринте. Первый вид обучения проводится в экспериментальной ка- камере, имеющей форму высокого ящика. К ее боковой стенке прикрепляется небольшая полка (рис. 4.9). Мышь помещает- помещается в камеру, некоторое время ей отводится на ознакомление с новой обстановкой. Затем включается сенсорный сигнал — звонок, и через 5 с экспериментатор подает на пол камеры электрический ток. Ток не выключается, пока мышь, совер- совершая в попытках избавиться от неприятного стимула хаотиче- хаотические прыжки, не окажется на полке. После паузы процедура повторяется. В результате через 10—20 сочетаний исходно не- незначимого звонка и отрицательного подкрепления животное при включении условного сигнала совершает быстрый и точ- точный прыжок на полку. Оборонительный слуховой двигатель- двигательный условный рефлекс сформирован. Критерием его завер- завершенности служит число верно выполненных реакций на каж- каждые 10 предъявлений звонка. Впрочем, пока вашему
4.4. РАЗНООБРАЗИЕ УСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 217 Рис 4.9. Эксперимен- Экспериментальная установка для выработки услов- условной реакции актив- активного избавления: 1 — звонок; 2 — полка; 3 — пол камеры, на который может пода- подаваться электричес- электрический ток вниманию была представлена упрощенная схема наблюдае- наблюдаемых событий. Мы еще вернемся к этой экспериментальной си- ситуации в разд. 4.6 и рассмотрим ее подробнее. Выработка условной реакции пассивного избегания прово- проводится в камере, разделенной на ярко освещенный и темный отсеки (рис. 4.10). Между отсеками находится перегородка с отверстием. Мышь помещается в светлую часть камеры и, са- самостоятельно реализуя характерную для норных животных пассивно-оборонительную реакцию, переходит в темный отсек. Вслед за этим экспериментатор закрывает отверстие в перего- перегородке и подает на пол темной части камеры электрический ток (в течение нескольких секунд). Больше никаких воздейст- воздействий на животное не производится. Повторное тестирование обычно осуществляется через неделю. Мышь вновь помещают в светлый отсек. При этом выясняется, что, как следствие обу- обучения с отрицательным подкреплением, животное обычно от- отказывается переходить в темную часть камеры, демонстрируя реакцию затаивания (избегания). Критерием обученное™ служит длительность пребывания на свету за некоторый фик- фиксированный период наблюдений. Описанная ситуация имеет две особенности. Во-первых, мы не использовали никакого специального условного стиму-
218 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ о V 2 / / \.\ Рис. 4.10. Экспериментальная установка для выработки условной реакции пассивного избегания: 1 — яркий свет; 2 — темнота; 3 — электрический ток ла, но рефлекс все же сформировался. Следовательно, в дан- данном случае сенсорными сигналами, запускающими оборони- оборонительное поведение, явились различные свойства внешней сре- среды: зрительный образ экспериментальной камеры, ее запах, тактильные ощущения. Рефлексы подобного рода называют «обстановочными», т.е. запускаемыми всей окружающей об- обстановкой. Вторая особенность — это формирование рефлекса после однократного действия электрического тока. В разделе, посвященном механизмам долговременной памяти, будет сде- сделана попытка пояснить нейрофизиологические основы данно- данного процесса. Выработка двигательного навыка в лабиринте проводится на базе положительного пищевого подкрепления. Лабиринт обычно представляет собой систему соединенных друг с дру- другом коридоров (рис. 4.11). Пища помещается в один из кори- коридоров (всегда на одно и то же место). Точка «старта» животно- животного также фиксирована. Перед экспериментом питание крыс обычно ограничивают для усиления выраженности пищевого поведения. Впервые помещенная в лабиринт крыса или мышь доста- достаточно быстро начинает осуществлять поисковое поведение. В результате она обычно в течение 1—2 мин находит пищу,
4.4. РАЗНООБРАЗИЕ УСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 219 Рис. 4.11. Лабиринт для выработки двига- двигательного рефлекса с пищевым подкрепле- подкреплением: 1 — пища; 2 — оптимальная траек- траектория движения жи- животного которую, будучи голодной, немедленно съедает. Затем живот- животное вновь возвращают в точку старта, и процедура повторяет- повторяется. Обучение проявляется в форме сокращения времени дости- достижения подкрепления (до 3—5 с) и количества ошибок, т. е. за- заходов в пустые, тупиковые, не связанные с продвижением к пище коридоры. Поскольку, как и в предыдущем примере, явный запускающий поведение условный стимул отсутствует, описанная реакция может быть классифицирована как пище- пищевой обстановочный двигательный рефлекс. Рассмотренные варианты не исчерпывают всего многооб- многообразия условно-рефлекторного поведения, поскольку, во-пер- во-первых, существуют категории приобретенных реакций, не подпадающие под приведенную классификацию, например, рефлексы на время и сенсорные ассоциации; во-вторых, опи- описано значительное число сложных рефлекторных реакций, являющихся производными от более простых типов приобре- приобретенного поведения. Временной фактор присутствует в каждом условном реф- рефлексе, так как при выработке подобных реакций интервал меж- между условным стимулом и подкреплением достаточно фиксиро- фиксирован. Однако время и само по себе может быть условным раздра- раздражителем. Если запускать безусловный рефлекс через равные интервалы времени, то после нескольких повторов каждый раз по истечении такого интервала начнет самопроизвольно возни-
220 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ кать реакция — еще до появления подкрепления. Примером могут служить повторяющиеся 1 раз в минуту слабые удары то- тока. Рефлекс на время будет при этом проявляться в виде опере- опережающего боль учащения сердцебиения. В основе подобного обу- обучения лежит врожденная способность нервной системы «отсчи- «отсчитывать» временные интервалы. Физиологический термин «условный рефлекс» и психоло- психологический термин «ассоциация» очень близки. По существу, под ассоциацией можно понимать установление временной связи между двумя любыми центрами коры больших полушарий. Ус- Условие замыкания такой связи — одновременная активация данных центров, происходящая на фоне реализации какого-ли- какого-либо врожденного поведения. Все обычные условные рефлексы могут считаться ассоциациями, но не все ассоциации являются условными рефлексами. Проведем эксперимент: будем одновременно предъявлять (без явного последующего подкрепления) два сенсорных стиму- стимула — включение звонка и лампочки. После 10—20 таких предъявлений выработаем на лампочку условный рефлекс (лучше оборонительный). Если теперь подать звонок, то он с большой вероятностью с первого раза вызовет тот же рефлекс. В основе обучения такого рода лежит замыкание временных связей (ассоциаций) между отдельными сенсорными центрами коры. Своеобразным подкреплением (безусловно-рефлектор- (безусловно-рефлекторной основой происходящего) является в таком случае исследо- исследовательское поведение. Поэтому важно, чтобы стимулы, между которыми формируется ассоциация, характеризовались доста- достаточным уровнем новизны, а число их сочетаний не было бы слишком большим (иначе начнется процесс, описанный как угашение ориентировочной реакции). Сложные поведенческие проявления, производные от более простых условных реакций, весьма многообразны. К ним мож- можно отнести рефлексы на комплексный раздражитель, на отно- отношение, условные реакции второго порядка, цепные двигатель- двигательные и экстраполяционные рефлексы. Рефлекс на комплексный раздражитель формируется тогда, когда животное реагирует только на одновременное предъявле- предъявление двух или более сенсорных сигналов. При этом реакция на действие каждого сигнала в отдельности должна отсутствовать. О рефлексе на отношение можно говорить в ситуациях вы- выбора из двух сенсорных сигналов (наборов обстановочных сти- стимулов). При этом нервная система сравнивает раздражители по какому-либо признаку и реагирует предпочтительно на источ- источник, например, более высокий звук или более яркий зритель-
4.4. РАЗНООБРАЗИЕ УСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ 221 ный объект. Следовательно, под «отношением» подразумевает- подразумевается соотношение некоторых характеристик в целом довольно сходных сигналов (объектов). Рефлексы второго порядка основаны на том, что при проч- прочном условном рефлексе раздражитель начинает сам выступать в роли подкрепления: выработав реакцию на звонок, можно за- затем (уже без подкрепления) создать ассоциацию между звонком и прикосновением. В итоге с большой вероятностью окажется, что прикосновение начнет запускать тот же поведенческий от- ответ, что и звонок. Над первым условным стимулом «надстроит- ся» второй — отсюда название этой группы рефлексов. В случае оборонительных условных рефлексов возможны «надстройки» третьего и более порядков. Цепные двигательные условные рефлексы мы наблюдаем тогда, когда окончание предыдущей моторной реакции являет- является стимулом для запуска следующего звена программы дейст- действий. С точки зрения наблюдателя такое поведение характеризу- характеризуется непрерывностью и «естественностью» переходов от движе- движения к движению, отсутствием пауз и сбоев. В качестве экстраполяционных рассматриваются рефлек- рефлексы, которые животное реализует в новой для него обстановке с первого же раза. Возникающая реакция выглядит как целесо- целесообразная и приводит к биологически благоприятным результа- результатам. Так, животное, заглянув в отверстие ширмы, находит там миску с едой, но, лишь только оно начинает есть, миска прихо- приходит в движение и перемещается вдоль ширмы направо или на- налево. Вновь получить пищу можно, только обойдя ширму со стороны, соответствующей направлению движения миски. По- Подобную реакцию успешно реализуют млекопитающие с наибо- наиболее сложным мозгом (хищники, приматы), а также врановые птицы (рис. 4.12). Суть происходящего при запуске экстраполяционных реф- рефлексов состоит в переносе имеющегося у особи опыта (предвари- (предварительно сформированного навыка) в относительно новую ситу- ситуацию. Относительность здесь состоит в том, что новизна усло- условий опыта лишь частична, и обстановка эксперимента должна по некоторым ключевым признакам напоминать особи о ситу- ситуациях, уже ей известных. В приведенном примере у животного должен предварительно иметься «рефлекс на движение» — ре- реакция следования за любым перемещающимся объектом. Эта реакция — результат предшествующего обучения, она возника- возникает на базе врожденных пищевых, исследовательских и прочих компонентов поведения. Поэтому возможен ее перенос в новые условия и с первого же предъявления — движение, соответст-
222 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ вующее направлению перемещения миски с едой. С точки зре- зрения наблюдателя, такая реакция выглядит как «предугадыва- «предугадывание» (экстраполяция) факта появления подкрепления с соот- соответствующей стороны ширмы. Мы еще вернемся к перечисленным вариантам приобретен- приобретенного поведения, поскольку пока лишь кратко охарактеризова- охарактеризовали их внешние признаки. Говорить о лежащих в их основе ме- механизмах, о роли различных отделов мозга еще рано, посколь- поскольку вначале следует познакомиться с более простыми формами приобретенного поведения. Рис. 4.12. Изучение экстраполяционного рефлекса у голубя и лисицы: 1 — ширма; 2 — кормушка с едой; 3 — кормуш- кормушка без еды; 4 — направление движения кормушек; 5 — траектория движения голубя; 6 — траектория движения лисы
4.5. НЕАССОЦИАТИВНОЕ ОБУЧЕНИЕ 223 Дело в том, что условные рефлексы, ассоциации и прочие рассмотренные типы обучения составляют только одну из двух обширных групп реакций, которые модифицируют инди- индивидуальное поведение особи. Группа эта названа «ассоциатив- «ассоциативным обучением». Ей противостоит, а в чем-то и дополняет ее «неассоциативное обучение». Относящиеся к этой категории приобретенные реакции или идут без подкрепления, или сохра- сохраняются относительно небольшое время, или не сопровождаются формированием новых нервных связей. Наиболее характерные из них рассмотрены в следующей главе, причем основное вни- внимание уделено их вкладу в деятельность систем памяти. 4.5. НЕАССОЦИАТИВНОЕ ОБУЧЕНИЕ. МЕХАНИЗМЫ КРАТКОВРЕМЕННОЙ И ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ Безусловные и условные рефлексы можно рассматривать как два «полюса», крайние типы поведенческих реакций: пер- первые — врожденные и очень стабильные; вторые представляют собой эволюционно наиболее гибкий вариант индивидуального обучения, позволяющий сохранять информацию длительное время. Соответственно, говоря о долговременной памяти, мы подразумеваем прежде всего присущую всякой развитой ЦНС систему ее собственных условных рефлексов и ассоциаций раз- разного уровня сложности. В целом память нервной системы можно определить как совокупность происходящих в ней про- процессов фиксации, сохранения и последующего воспроизведе- воспроизведения индивидуального опыта организма. Способность мозга к ассоциативному обучению дополняет- дополняется процессами неассоциативного обучения. Они являются эво- эволюционно более древними способами приспособления (на по- поведенческом уровне) к изменяющимся условиям внешней сре- среды и уступают истинным условным рефлексам в способности к модификациям или в длительности хранения следов воздей- воздействий. Далее мы последовательно рассмотрим наиболее значи- значимые типы неассоциативного обучения — суммацию, привыка- привыкание, долговременную потенциацию и импринтинг. Способы сохранения информации, связанные с первыми тремя, — ос- основа нашей кратковременной памяти. Импринтинг логичнее рассматривать как вариант долговременной памяти. Отметим также, что у существ со сложно организованной нервной системой ассоциативное и неассоциативное обучение
224 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Рис. 4.13. Рефлекс втя- втягивания жабры возни- возникает у аплизии в ответ на прикосновение к ней или к мантийной склад- складке: 1 •— жабра; 2 — мантийная складка сосуществуют, причем первое в значительной мере маскирует проявления второго. Чтобы наблюдать неассоциативное обу- обучение «в чистом виде», полезно использовать в качестве экс- экспериментальных объектов организмы с относительно низким уровнем организации нервной системы. Именно поэтому клас- классические работы по изучению суммации и привыкания выпол- выполнены на аплизии — крупном морском моллюске (рис. 4.13). Суммацию можно определить как постепенное увеличение (появление) реакции при повторном предъявлении исходно индифферентного раздражителя. Суммация — простейшая форма приспособления поведения к внешним сигналам. На- Например, если слегка прикасаться к щупальцам гидры с интер- интервалом в 20—30 с, то через 8—10 таких прикосновений, на ко- которые животное исходно не реагирует, возникает реакция втягивания щупалец. Реакция эта сохраняется и при дальней- дальнейшей стимуляции. Следовательно, в нервной системе гидры произошло накопление возбуждения от отдельных раздражи- раздражителей, и этот просуммированный сигнал смог запустить двига- двигательный ответ. В нашей жизни суммация также проявляет се- себя достаточно часто, например, когда мы вдруг замечаем уже длительное время действовавший слабый раздражитель (ка- (капание воды из крана, легкие тактильные или болевые ощуще- ощущения). Биологический смысл суммации состоит в том, чтобы «обратить внимание» нервной системы на слабые, но стабиль- стабильно возникающие (или постоянно действующие) стимулы. В основе суммации может лежать постепенное повышение чувствительности к повторяющемуся раздражителю. В этом случае адаптивные изменения происходят на входе в рефлек- рефлекторные дуги различных защитных, исследовательских, пище- пищевых и других реакций. Такой тип суммации называют сенси- сенсибилизацией. Кроме того, возможна суммация за счет сниже-
4.5. НЕАССОЦИАТИВНОЕ ОБУЧЕНИЕ 225 ния порога запуска реакции — фасилитация. В этом случае изменения происходят на выходе рефлекторных дуг и сенсор- сенсорная специфичность раздражителя не играет заметной роли. Имея в виду описанный опыт с гидрой, можно сказать, что ес- если суммация уже произошла, то вместо прикосновения можно включить яркий свет или оказать химическое воздействие — животное все равно будет втягивать щупальца. Важно также то, что выработанная суммация полностью исчезает через 20—30 мин, т. е. при этом типе неассоциатив- неассоциативного обучения длительность сохранения следов стимуляции очень невелика. Кроме того, если производить повторную сум- мацию, она происходит без всякого видимого облегчения и ус- ускорения. Механизм суммации на клеточном уровне впервые был ис- исследован на аплизии. Измеряемой реакцией стал врожденный рефлекс втягивания моллюском жабры в ответ на сильное прикосновение. Интенсивность слабых прикосновений подби- подбиралась так, что они исходно были незначимы, но вызывали рефлекс в результате развития суммации, т. е. после повтор- повторных применений с небольшим (до 30 с) интервалом. Рефлекс втягивания жабры по своей природе является пассивно-оборонительным и реализуется посредством очень короткой нервной дуги (рис. 4.14), которая состоит всего из двух клеток — сенсорной (чувствительные отростки ветвятся в ткани жабры) и двигательной (мотонейрон, управляющий мышцей, втягивающей жабру). Если внешний стимул доста- достаточно силен, то в сенсорном нейроне возникает несколько E— 10) потенциалов действия. В результате в синапсе между чув- чувствительной клеткой и мотонейроном выделяется много меди- медиатора, на мембране мотонейрона развивается большой ВПСП, а затем — ПД, который достигает мышцы, вызывая ее сокра- сокращение. При слабом стимуле возможна ситуация, когда раз- раздражитель вызовет в сенсорном нейроне всего один ПД. Тогда медиатора в рассматриваемом синапсе выделится мало, ПД в мотонейроне не возникнет и реакция на стимул будет отсутст- отсутствовать. В этом случае мы скажем, что используется исходно незначимый стимул. Что изменится при ритмическом применении слабого сти- стимула? Ключевым фактором, способным в итоге привести к развитию в описанной рефлекторной дуге суммации, является работа ЭПС и митохондрий пресинаптического, окончания. Напомним, что именно их нормальное функционирование обеспечивает быстрое всасывание кальция и прекращение вы- выброса медиатора (Са2+ попадает в пресинаптическое окончание
226 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ из межклеточной среды при открывании особых каналов, ре- реагирующих на приход ПД). Оказывается, что всасывание кальция в ЭПС и митохонд- митохондрии — длительный процесс, который может занимать десятки секунд и даже минуты. Соответственно, если внешний стимул действует достаточно часто, то белки-насосы не будут успевать удалять все ионы Са2+ из цитоплазмы пресинаптического окончания, и кальций будет накапливаться. Чем меньше ин- интервал между стимулами, тем быстрее идет накопление каль- кальция. В результате при появлении очередного ПД может ока- оказаться, что Са2+ скопилось достаточно много для того, чтобы после выброса медиатора и генерации ВПСП потенциал дейст- действия на мотонейроне был запущен. Именно в этот момент мы увидим, что исходно незначимый стимул вызвал реакцию. Если не прерывать периодическую стимуляцию, то все дальнейшие раздражения будут продолжать запускать реф- а) Стимул X-J (\ Время Порог запуска ПД -* ВПСП >- ПД и запуск реакции втягивания жабры Рис. 4.14. Рефлекторная дуга, отвечающая за втягивание жабры у аплизии (о) и графики накопления ионов кальция (б) и запуска ПД в мотонейроне (в). Пять последовательных ритмических слабых воздействий на жабру отмечены стрелками (f): 1 — мышца, оттягивающая жабру; 2 — мо- мотонейрон; 3 — синапс, в котором происходит суммация; 4 — сенсорный нейрон; 5 — жабра
4.5. НЕАССОЦИАТИВНОЕ ОБУЧЕНИЕ 227 леке, поскольку высокое содержание Са2+ в пресинаптическом окончании сохраняется. Если сделать паузу, то вновь пона- понадобится предварительная суммация (ЭПС и митохондрии удалят из цитоплазмы накопившийся кальций). Таким образом, основной механизм развития суммации может быть определен как пресинаптическое накопление ионов Са2+. Тот же принцип лежит в основе ситуации, когда после од- однократного сильного стимула (в пресинапс входит много Са2+) рефлекс в течение нескольких минут может запускаться ис- исходно незначимым сигналом. Биологически это вполне оправ- оправдано: получив, например, однократное болевое подкрепление, животное еще некоторое время «соблюдает осторожность», т. е. демонстрирует пассивно-оборонительную реакцию на лю- любые сенсорные сигналы. Способность к суммации — распространенное свойство нервных клеток и синапсов, именно она лежит в основе более «короткого» варианта нашей кратковременной памяти. Рас- Рассматривая тот или иной зрительный объект, повторяя про се- себя какую-либо фразу, мы, по сути, производим ритмическую стимуляцию синапсов, включенных в передачу соответствую- соответствующих сенсорных сигналов; и далее, сохраняя повышенную воз- возбудимость в течение нескольких минут, эти синапсы «удер- «удерживают след» заинтересовавшей нас информации. Однако след этот очень быстро исчезает (по мере ослабления последст- последствий суммации), а также легко может быть «затерт» любыми последующими сильными (значимыми) стимулами. Суммация, видимо, явилась самым эволюционно ранним вариантом обучения. Несмотря на нестойкость происходящих изменений, она продолжает играть важную роль как один из путей индивидуальной адаптивной модификации поведения не только животных, но и человека. Следующий тип неассоциативного обучения — привыка- привыкание. Привыкание может быть определено как ослабление (ис- (исчезновение) реакции на неоднократно предъявляемый исход- исходно значимый раздражитель. Например, можно подобрать та- такую силу прикосновения к щупальцам гидры, что после 50— 70 ритмичных (с интервалом до 20—30 с) воздействий исход- исходно проявлявший себя рефлекс втягивания щупалец исчезнет. Следовательно, в нервной системе животного каким-то обра- образом происходит угасание реакции на повторяющийся стимул. В нашей жизни привыкание проявляется чаще всего в форме ослабления ориентировочного рефлекса, когда мы перестаем реагировать на какой-либо «надоевший» сенсорный сигнал.
228 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Биологический смысл привыкания обусловлен стремлением нервной системы к наиболее экономному режиму функциони- функционирования. В основе привыкания (габитуации) обычно лежат проте- протекающие на уровне сенсорных систем процессы снижения чув- чувствительности к повторяющемуся раздражителю. Их меха- механизмы многообразны: адаптация чувствительных клеток, подключение к процессу обработки и проведения информации тормозных интернейронов, ослабление синаптической переда- передачи. Первый механизм обеспечивает наиболее быстрые измене- изменения чувствительности к постоянно действующим стимулам и рассматривается в рамках физиологии сенсорных систем. Второй механизм является, по сути, теми же процессами суммации (пресинаптического накопления Са2+), но проте- протекающими на входе тормозных интернейронов. В результате повторно действующий сигнал, будучи исходно «незначи- «незначимым» для тормозных нервных клеток, постепенно приводит к их включению. Как следствие, на мембранах релейных (про- (проводящих) нейронов развиваются ТПСП и передача возбужде- возбуждения к мотонейронам ослабевает (прекращается) (рис. 4.15). Наши сенсорные системы устроены таким образом, что тормозные «фильтры», обеспечивающие привыкание, образу- образуют несколько уровней. В результате этого происходит после- Накопление Са2' (суммация) на входе тормозного интернейрона Повторный сенсорный стимул Выброс тормозного медиатора Запуск реакции \ Рис. 4.15. Схема возможных путей развития привыкания к повторяющимся сенсорным сигналам: / — тормозной ин- интернейрон; 2 — мотонейрон; 3 — сенсорный нейрон
4.5. НЕАССОЦИАТИВНОЕ ОБУЧЕНИЕ 229 довательное отсечение стабильно действующих, «неинтерес- «неинтересных» сигналов сначала в центрах первичной обработки ин- информации, затем в таламусе и коре. Ослабление синаптических процессов при привыкании также впервые показано на аплизии. Обнаружено, что избы- избыток Са2+ в пресинаптическом окончании, где он обязательно появится при ритмическом действии значимых стимулов, приводит к открыванию особых кальций-чувствительных К+-каналов. Выход ионов калия гиперполяризует пресинап- тическое окончание и на некоторое время снижает активность электрочувствительных Са2+-каналов, что уменьшает выброс медиатора и ослабляет синаптическую передачу. Как и суммация, привыкание сохраняется только в тече- течение довольно короткого времени (до 20—30 мин), а повторное привыкание идет без облегчения. В реальных условиях часто можно наблюдать, как повторяющийся слабый сенсорный сигнал сначала вызывает суммацию, а затем — привыкание. С другой стороны, можно подобрать такую низкую интенсив- интенсивность стимула, что он вообще не будет вызывать реакции (да- (даже за счет развития суммации), и такую высокую интенсив- интенсивность, что привыкания к сигналу происходить не будет. Привыкание следует отличать от утомления. В последнем случае обычно наблюдаются значительные общие изменения в состоянии рефлекторных сетей: нехватка АТФ, накопление отходов обмена веществ, истощение запасов медиаторов в пре- синаптических окончаниях. Если увеличить интенсивность стимула, то эффект утомления сохраняется, а привыкание часто исчезает, поскольку усиленный сенсорный сигнал начи- начинает использовать дополнительные нейронные цепи. В случае аплизии показано, что привыкание, развившееся после повторных прикосновений к жабре, может быть устра- устранено сильным воздействием на какую-либо другую часть тела. При этом активация угасшей синаптической передачи проис- происходит за счет развития пресинаптического серотонинергиче- ского возбуждения. Переходим к долговременной потенциации (английский эквивалент — long term potentiation — LTP). Внешне это явление выглядит следующим образом. Вы предъявляете животному некоторый сигнал, слишком слабый для того, чтобы вызвать реакцию с первого же раза, но доста- достаточный для возбуждения сенсорных входов. Затем после па- паузы в 1—2 ч (для предотвращения возможных эффектов сум- суммации) подается сильный стимул, запускающий исследуе- исследуемый рефлекс. Следующая стимуляция проводится еще через
230 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 1—2 ч с помощью слабого сигнала. При этом у существ, чья нервная система обладает способностью к LTP, возникает тот же рефлекторный ответ. Более того, интервал между сильной и последующей слабой стимуляциями может быть увеличен до 5—10 и более часов — повышенная возбудимость нервной системы продолжает регистрироваться. По сравнению с суммацией LTP (и зафиксированная с ее помощью информация) сохраняется значительно более дли- длительный срок, но он все же недостаточен для того, чтобы счи- считать LTP проявлением долговременной памяти. Вот почему предлагается рассматривать LTP как вариант «длительной» кратковременной памяти, чье действие обычно распространя- распространяется на текущий период бодрствования (в случае человека — от одного ночного сна до другого). Разберем сначала синаптическую основу долговременной потенциации, а затем попытаемся определить ее место в де- деятельности мозга. В отличие от суммации, LTP происходит на строго опреде- определенных синапсах: во-первых, глутаматергических и, во-вто- во-вторых, снабженных несколькими типами рецепторов к глутами- новой кислоте, основным из которых должен быть NMDA- тип. Схема такого синапса представлена на рис. 4.16. Напом- ПД (в ответ на внешний стимул) Вход Са2+ Выбивание Mg - пробок Вход положительно заряженных ионов Na+ и Са2+ / Вторичный посредник Рис. 4.16. Схема синапса, способного к развитию долговре- долговременной потенциации: 1 — метаботропный (не-NMDA-pe- цептор); 2 — NMDA-рецептор, находящийся в нерабочем состоянии; 3 — везикула с глутаматом; 4 — хемочувстви- тельный ионный канал
4.5. НЕАССОЦИАТИВНОЕ ОБУЧЕНИЕ 231 ним, что NMDA-рецепторы обладают уникальным свойством находиться в двух способных переходить друг в друга состоя- состояниях — рабочем и инактивированном. В последнем случае ка- канал NMDA-рецептора оказывается перекрыт ионом Mg2+ (маг- (магниевая пробка). Рассмотрим работу синапса, способного к LTP. Его исход- исходное состояние характеризуется наличием только инактивиро- ванных NMDA-рецепторов. Если подать на такой синапс сла- слабый стимул, то, как и в случае суммации, возникает лишь одиночный ПД, приводящий к выбросу небольшого количест- количества глутаминовой кислоты. При этом медиатор может вызвать открывание Ка+-каналов, связанных только с не-NMDA-pe- цепторами. В результате ВПСП, развивающийся на постси- постсинаптической мембране, будет мал, ПД в следующей клетке не возникнет и реакция на слабый стимул наблюдаться не будет. Применение сильного стимула вызовет выделение большо- большого количества глутаминовой кислоты, и возбуждения даже He-NMDA-рецепторов окажется достаточно, чтобы на постси- постсинаптической мембране возник ПД, а на уровне всего организ- организма — поведенческий ответ. Параллельно происходит ключе- ключевое событие, запускающее LTP: ПД, являясь скачком потен- потенциала на постсинаптической мембране, провоцирует выход ионов Mg2+ из каналов NMDA-рецепторов в межклеточную среду — «выбивание магниевых пробок» переводит NMDA-ре- NMDA-рецепторы в рабочее состояние. Возврат пробок осуществляется постепенно — в течение нескольких часов, и все это время синапс остается в состоянии повышенной готовности к проведению информации (в этом смысл термина «потенциация»). Отсюда следует, что, если сейчас посредством слабой стимуляции подать на вход синап- синапса даже одиночный ПД, выделяющаяся глутаминовая кисло- кислота подействует на все рецепторы (в том числе на NMDA-тип). Поэтому, несмотря на небольшое количество медиатора, раз- развивающийся на постсинаптической мембране ВПСП окажется достаточно велик для последующей генерации ПД и появле- появления поведенческого ответа. Наиболее плотная концентрация NMDA-рецепторов в моз- мозге высших позвоночных обнаружена на входе в гиппокамп — ключевую структуру круга Папеца (рис. 4.17, а). Этот круг — важнейший структурно-функциональный комплекс передне- переднего мозга и в качестве основных структур включает: собственно гиппокамп, выходящий из него свод, мамиллярные тела, пе- передние ядра таламуса, ряд структур коры (важнейшая из них — поясная извилина) и зубчатую извилину, чьи аксоны
232 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ б) Система регуляции уровня бодрствования, гипоталамус Рис. 4.17. Круг Папеца (а) и его упрощенная структура (б): 1 — гиппокамп; 2 — свод; 3 — мамиллярное тело; 4 — передние ядра таламуса; 5 — поясная извилина; 6 — зубчатая извилина; • — си- синапсы, содержащие NMDA- рецепторы Гиппокамп / Выбивание \ \ I Mg2+-пробок JJ Поясная извилина Сенсорные сигналы Память о сигналах Другие области коры больших полушарий заканчиваются в гиппокампе. Необычной и характерной чер- чертой данного комплекса является его цикличность, замкну- замкнутость на свои собственные ядра. Этот факт еще в 60-е годы по- позволил сформулировать гипотезу о круге Папеца как месте хранения циркулирующих по замкнутому контуру нервных сигналов. В 90-е годы это представление было дополнено дан- данными об NMDA-рецепторах, что позволило сформировать представление о LTP как одном из физиологических механиз- механизмов памяти. Рассмотрим схему, приведенную на рис. 4.17, б. На ней из всего множества структур круга Папеца оставлены лишь две ключевые — гиппокамп, обладающий NMDA-рецепторами, и поясная извилина, для которых характерны множественные связи с самыми разными отделами коры и подкорки (в том числе с гипоталамусом и центрами бодрствования). Гиппокамп и поясная извилина соединены множественными взаимными, формирующими круг связями (волокна свода и др.). Как про- происходит фиксация информации с помощью этой системы? Представим себе человека ранним утром, его мозг полно- полностью отдохнул. Можно считать, что при этом структуры круга Папеца находятся в «очищенном» состоянии, все пути переда- передачи информации пока закрыты и магниевые пробки располага- располагаются на своих местах — в каналах NMDA-рецепторов. Далее
4.5. НЕАССОЦИАТИВНОЕ ОБУЧЕНИЕ 233 начинается обычный рабочий день: человек встает, умывает- умывается, завтракает, совершая обычный утренний ритуал. Если при этом ничего необычного не происходит, то уровень возбуждения в мозге невелик и сохранение памяти идет только за счет самых нестойких суммационных механизмов. Однако если происходит что-то необычное, значимое, имеющее эмоци- эмоциональную окраску, то уровень активации в соответствующих сенсорных и ассоциативных центрах коры резко повышается. Это приводит к возбуждению поясной извилины, переадресовке сигналов на вход гиппокамп, и, как в случае применения силь- сильного стимула, «выбиванию магниевых пробок» в соответствую- соответствующих стимулу или ситуации информационных