3. Физиология тканевых элементов нервной системы.

4.1 Особенности строения и функционирования нейронов.

Современные представления о структурно-функциональной организации нервной системы базируются на нейронной теории, согласно которой структурной и функциональной единицей нервной системы является нервная клетка- нейрон. Это специализированные клетки, способные принимать, обрабатывать, передавать и хранить информацию, формировать ответные реакции на раздражение. Всё это связано с уникальной способностью нейронов генерировать электрические потенциалы благодаря особым свойствам клеточной мембраны. Нейрон обладает всеми свойствами возбудимой структуры: возбудимостью, проводимостью, функциональной лабильностью.

Самая высокая возбудимость мембраны в области аксонного холмика (место перехода тела нейрона в аксон), именно здесь возникает потенциал действия, который распространяется в другие отделы нейрона. Самая низкая возбудимость в области дендритов. В нейроне можно выделить 3 функциональные зоны: воспринимающую - дендриты и мембрана сомы нейрона; интегративную- тело нейрона с аксонным холмиком; передающую – аксонный холмик с аксоном. Потенциал действия многих нейронов характеризуется длительной следовой гиперполяризацией, что регулирует частоту ПД, генерируемых нервной клеткой ( это характерно, в частности, для мотонейронов). Важной особенностью функционирования нейронов является высокая интенсивность энергетического и пластического обмена. Об этом свидетельствует наличие большого количества митохондрий и рибосом, которые вместе с эндоплазматической сетью формируют базофильное вещество ( вещество Ниссля или тигроид). Длительное возбуждение клетки приводит к исчезновению базофильного вещества, а значит , и к прекращению синтеза специфического белка. Следовательно, по состоянию базофильного вещества можно судить о функциональной активности нейрона. Синтезируемые в теле клетки вещества с током аксоплазмы перемещаются в аксон, где участвуют в образовании специфических веществ – передатчиков возбуждения – нейромедиаторов или нейротрансмиттеров.

Функциональная классификация нейронов. Выделяют три типа нейронов:

• афферентные нейроны – нейроны, воспринимающие информацию и передающие её в вышележащие структуры ЦНС;

• вставочные нейроны ( интернейроны) - обрабатывают информацию, получаемую от афферентных нейронов и передают её на другие вставочные или эфферентные нейроны, т.е обеспечивают взаимодействие между нейронами;

• эфферентные нейроны – передают информацию в нижележащие структуры ЦНС или к исполнительным органам. Среди эфферентных нейронов различают двигательные ( мотонейроны) и вегетативные нейроны.

В зависимости от синтезируемых медиаторов нейроны могут быть холинергические, адренергические , серотонинергические, дофаминергические и т.д.

По расположению нейронов в нейронной сети выделяют первичные, вторичные и т.д. ( или нейроны 1-го , 2-го порядка и т.д). Следовательно, среди афферентных нейронов могут быть первичные чувствительные нейроны, вторичные чувствительные нейроны и т.д. То же самое может быть и среди вставочных и эфферентных нейронов.

По чувствительности к действию раздражителей различают моносенсорные ( воспринимают действие раздражителей одной модальности) и полисенсорные ( реагирующие на разномодальные раздражители).

4.2. Нейро-глиальные взаимоотношения.

Пространство между нейронами заполнено нейроглией («нервный клей»). Количество глиальных клеток превышает количество нейронов в 8-10 раз. В отличие от нервных клеток эти клетки способны делиться; с возрастом в мозге человека число нейронов уменьшается , а количество глиальных клеток увеличивается. Нейроглия делится на макроглию ( развивается из нервной трубки) и микроглию, имеющую мезенхимное происхождение и выполняющую фагоцитарные функции. Клетки макроглии представлены астроцитами, располагающимися главным образом в сером веществе мозга ( особенно их много в коре больших полушарий), олигодендроцитами, содержащимися преимущественно в белом веществе ( так как они учатвуют в миелинизации нервных волокон) и эпендимоцитами, выстилающими полость желудочков мозга. В отличие от нервных клеток глиальные клетки не генерируют нервный импульс, но они необходимы для функционирования нейронов. Клетки нейроглии выполняют трофические, разграничительные, опорные, защитные, секреторные, регенеративные функции. Нейроглия , в частности астроциты, являются частью гематоэнцефалического барьера, регулирующего проникновение из крови в мозг биологически активных веществ, продуктов обмена, различных химических веществ, воздействующих на структуры мозга. Проницаемость гематоэнцефалического барьера обеспечивает поступление в нервные клетки кислорода, глюкозы и других питательных веществ и препятствует проникновению в мозг чужеродных веществ, микроорганизмов, токсинов. Поступление веществ в клетки мозга осуществляется двумя путями: через цереброспинальную жидкость ( так называемый ликворный путь) и через стенку капилляров, т.е. через гематоэнцефалический барьер. У взрослого человека последний является основным путем движения веществ в нервные клетки. Проницаемость гематоэнцефалического барьера зависит от функционального состояния организма, обменных процессов в ткани мозга, содержания в крови гормонов, ионов. Например, при стрессе повышение содержание адреналина в крови способствует проникновению его через гематоэнцефалический барьер и воздействию на адренореактивные структуры гипоталамуса, запускающих дальнейший механизм стресс-реакций ( активацию гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы и т.д.). Через гематоэнцефалический барьер реализуется принцип обратной химической связи организма, что обеспечивает саморегуляцию постоянства внутренней среды организма. Функции же самого гематоэнцефалического барьера регулируются высшими отделами ЦНС и гуморальными факторами.

4.3. Проведение возбуждения по нервным волокнам.

Проведение нервного импульса – это специализированная функция нервных волокон. Нервное волокно – это отросток нервной клетки ( осевой цилиндр), погруженный в шванновскую клетку ( клетка олигодендроглии)., которая , прокручиваясь много раз вокруг осевого цилиндра, может образовывать мякотную (миелиновую) оболочку, в связи с чем нервные волокна могут быть мякотными (миелиновыми) и безмякотными (безмиелиновыми). В возникновении и проведении нервного импульса основная роль принадлежит мембране осевого цилиндра. Миелиновая оболочка является электрическим изолятором и выполняет трофическую функцию. Распространение возбуждения по нервным волокнам осуществляется на основе ионных механизмов генерации ПД и воздействия местных электрических токов ( между возбужденными и невозбужденными участками ) на проницаемость мембраны. Скорость распространения нервного импульса зависит: 1 – от диаметра волокна ( с увеличением диаметра увеличивается скорость); 2 – от строения волокна. По безмякотным волокнам возбуждение распространяется непрерывно вдоль мембраны осевого цилиндра – это релейный тип распространения возбуждения. При таком типе возбуждение распространяется медленно и с затуханием. Для мякотных волокон характерен сальтаторный тип проведения возбуждения – скачкообразное распространение ПД по перехватах Ранвье.( участки, лишенные мякотной оболочки). Мембрана осевых цилиндров в области перехватов специализирована для генерации возбуждения, т. к. в этих участках самая высокая плотность натриевых каналов . В основе распространения возбуждения – местные токи, идущие через межтканевую жидкость, окружающие волокно. Иногда может быть «перепрыгивание» через несколько перехватов. Сальтаторный тип проведения имеет следующие преимущества : 1 - большая скорость проведения; 2 – малые затраты энергии на работу калий- натриевого насоса, так как потери ионов невелики ( в расчете на единицу длины волокна). Распространение возбуждения по нервным волокнам подчиняется ряду законов:

1 – закон анатомической и физиологической непрерывности. Проведение возбуждения возможно только при сохранении структуры мембраны осевого цилиндра. (анатомическая непрерывность) и сохранения активности натриевых каналов (физиологическая непрерывность). Блокада натриевых каналов, накопление калия в межклеточном веществе, приводящие к стойкой деполяризации мембраны , снижает возбудимость и делает невозможным проведение возбуждение по нервному волокну ( что,например, имеет место при парабиозе). Нарушение физиологической непрерывности является обратимой в отличие от анатомической.

2- закон двустороннего проведения возбуждения. По нервному волокну возбуждение проводится как в центростремительном ( к телу нейрона) так и в центробежном ( к окончанию аксона) направлениях.

3 – закон изолированного проведения возбуждения. Нервный импульс не переходит с одного волокна на другое и оказывает действие только на те клетки, с которыми контактирует. Это имеет важное значение, так как нервный ствол содержит большое количество нервных волокон, иннервирующих различные клетки и ткани. Изолированное проведение обусловлено тем, что сопротивление жидкости в межклеточных щелях ниже, чем мембраны нервных волокон, поэтому ток идет по межклеточным щелям, не заходя в соседние волокна.

3. – закон относительной неутомляемости нервов. Н.Е. Введенский установил, что нерв практически неутомляем. Это связано с тем, что при возбуждении нерва тратится сравнительно мало энергии, процессы ресинтеза АТФ покрывают все энергетические затраты, связанные с работой натрий-калиевого насоса . Тонкие волокна утомляются быстрее, чем толстые, так как у них потеря ионов больше.

4. –закон функциональной неспецифичности нервных волокон. Проведение возбуждения по нервным волокнам зависит от типа волокна ( его строения и толщины) а не от функциональной принадлежности, что делает возможным пластику нервов.

Классификация нервных волокон основана на различии строения, скорости проведения возбуждения, длительности различных фаз ПД. Выделяют 3 типа нервных волокон: 1 – тип А , включает подгруппы альфа, бетта, гамма и дельта. Это толстые мякотные волокна с высокой скоростью проведения возбуждения. Самые быстрые – волокна А –альфа, иннервирующие скелетные мышцы, проводят возбуждение со скоростью 70- 120 м/сек; Волокна А – гамма иннервируют мышечные рецепторы, А-бетта и А –дельта являются чувствительными, их скорость от 30 до 60 м/сек.; 2 – тип В – мякотные волокна с меньшим ( по сравнению с типом А) диаметром , со скоростью проведения возбуждения 3- 18 м/сек. К этим волокнам относятся преганглионарные волокна вегетативной нервной системы и некоторые чувствительные; 3 – тип С –тонкие безмякотные волокна с самой низкой скоростью проведения возбуждения ( до 3 м/сек.). Этими волокнами являются постганглионарные волокна вегетативной нервной системы и некоторые чувствительные (в частности, волокна болевой чувствительности.). Для них характерны длительные следовые потенциалы и низкая возбудимость.

4.4. Межнейронные взаимодействия.

В основе деятельности мозга лежат механизмы, обеспечивающие передачу импульсов с нейрона на нейрон. На каждом этапе переработки информации в качестве функциональной единицы выступает не отдельная клетка, а клеточное объединение – нейронные ансамбли. Объединение нейронов может быть запрограммировано генетически и основано на так называемых жестких связях. Жесткие взаимодействия нейронов составляют «скелет» нервной системы и являются основой её существования. Повреждение жестких связей сопровождается нарушением соответствующей функции. Но здоровый мозг человека обладает значительной структурной пластичностью и способен в течение жизни образовывать новые связи между нейронами – временные (гибкие) связи. При повреждении гибких звеньев функции могут восстанавливаться за счет образования новых временных связей. Многообразие психической деятельности связано с пластическими свойствами мозга, т.е. с образованием временных связей, благодаря которым обеспечивается более гибкое взаимодействие с окружающей средой. Нейронные ансамбли формируют различные уровни интеграции нейронов. Самое простое объединение нейронов – последовательная цепь нервных клеток, взаимодействие между которыми необходимо для обеспечения наиболее простых ответных реакций. Более сложные объединения - нейронные сети. Среди них выделяют: 1- локальные сети, которые удерживают информацию в пределах одного уровня ЦНС. В центральной зоне такой сети обычно функционируют возбуждающие нейроны, а по периферии – тормозные; 2 – иерархические сети, образованные связями между нейронами различных уровней ЦНС. Причем количество нейронов от уровня к уровню меняется : увеличение количества взаимодействующих нейронов формирует дивергентные (расширяющиеся) сети, уменьшение – конвергентные(суживающиеся) сети. При передачи возбуждения от одного нейрона к другому по коллатералям ( возвратным ветвям) отростков возбуждение возвращается к первому нейрону. Так образуется ещё одна структура нейронной сети: кольцевой тип взаимодействия нейронов (нейронные ловушки), благодаря которым возбуждение может длительно циркулировать и удерживаться в данной нейронной сети.

4.5. Передача возбуждения в синапсах.

Передача возбуждения от одного нейрона к другому, а также от нервной клетки к исполнительному органу осуществляется через синапсы ( от греческого-смыкать , связывать, соединять). Термин был введен в 1897г. английским физиологом Ч.Шеррингтоном. Синапсы во многом обеспечивают всё многообразие функций мозга. Любой синапс состоит из трёх структурных компонентов: пресинапса – окончание аксона нейрона, от которого передается возбуждение; постсинапса – структура, воспринимающая возбуждение; между ними – синаптическая щель. По локализации выделяют центральные синапсы, обеспечивающие передачу возбуждения между нейронами в ЦНС, и периферические синапсы, осуществляющие передачу сигнала с нерва на исполнительный орган. В свою очередь центральные синапсы подразделяются ( в зависимости от локализации постсинапса) на аксо-дендритические, аксо-соматические и аксо-аксональные синапсы; реже встречаются дендро-дендритические синапсы. По механизму передачи возбуждения синапсы разделяют на электрические , химические и смешанные. В электрических синапсах (эфапсах) синаптическая щель не превышает 4 нм., в них ионные каналы образуют мостики между пре- и постсинаптический мембраной, что способствует беспрепятственному распространению электрического сигнала с пре- на постсинапс подобно тому, как передается возбуждение по нервному волокну. В электрическом синапсе генератором постсинаптического тока является пресинаптическая мембрана, т.к. в ней возникает ПД, который распространяется на постсинаптическую мембрану. В ЦНС человека электрические синапсы очень немногочисленны и встречаются в древних структурах мозга. Подобные синапсы имеются в гладкой и сердечной мышце, что позволяет сравнить эти мышцы с функциональным синцитием. Свойства же нервной системы человека связаны с особенностями передачи возбуждения в химических синапсах. В этих синапсах синаптическая щель довольно широкая (10-50 нм), через такую щель электрический импульс пройти не может, поэтому здесь существует другой усиливающий механизм передачи возбуждения с помощью химических веществ- медиаторов или нейротрансмиттеров. Медиаторы синтезируются в окончании аксона и накапливаются в пресинапсе в синаптических пузырьках. Когда ПД достигает пресинапса, происходит высвобождение медиатора из везикул. В этом важную роль играют ионы кальция, которые поступают внутрь окончания из внеклеточной жидкости по электровозбудимым кальциевым каналам. Попадая в цитоплазму синаптического окончания, кальций входит в связь с белками оболочки пузырьков , что приводит к сжатию мембраны пузырьков и выбросу медиатора в синаптическую щель. Особенностью постсинаптической мембраны в химическом синапсе является то, что здесь нет электровозбудимых, а есть хемовозбудимые ионные каналы, в состав которых входит транспортная система ("ворота") и участок связывания («белок-рецептор»). К каждому медиатору есть свой рецептор, чаще – несколько видов рецепторов. Взаимодействие медиатора с соответствующем рецептором приводит к открытию определенных ионных каналов ( чаще – натриевых каналов, в результате натрий проникает в клетку), что изменяет исходный потенциал постсинаптической мембраны и вызывает образование постсинаптического потенциала. При деполяризации постсинаптической мембраны ( в случае увеличения проницаемости для ионов натрия) возникает возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), который при достижении критического уровня деполяризации переходит в потенциал действия (ПД). Если в результате взаимодействия медиатора с рецептором открываются каналы для ионов калия или хлора, то на постсинаптической мембране происходит явление гиперполяризации и возникновение тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП). Следовательно, при передачи возбуждения от одного нейрона к другому, на втором нейроне может возникнуть как возбуждение, так и торможение. Знак синаптического действия определяется не столько медиатором, сколько свойствами рецепторов на постсинаптической мембране, которые могут контролировать разные ионные каналы. Один и тот же медиатор может вступать в реакцию с различными рецепторами постсинаптической мембраны и вызывать противоположный эффект. Высвобождение медиатора носит квантовый ( дискретный) характер. При поступлении нервного импульса в пресинапс высвобождается определенная порция медиатора, от количества медиатора в данной порции зависит величина постсинаптического потенциала. На количество же выбрасываемого медиатора влияет содержание ионов кальция в пресинапсе. Накопления кальция в пресинаптическом окончании улучшает эффективность работы химического синапса. Медиатор, оставшийся в синаптической щели и не вступивший в реакцию с рецептором, разрушается соответствующим ферментом ( для каждого медиатора есть свой фермент). Таким образом , весь механизм передачи возбуждения в химическом синапсе можно представить в виде последовательной цепи следующих процессов: поступление нервного импульса в пресинаптическое окончание – открытие кальциевых каналов в пресинапсе – вход кальция в пресинапс – высвобождение медиатора из пресинапса – взаимодействие медиатора с постсинаптическим рецептором – активация хемовозбудимых ионных каналов постсинапса – формирование постсинаптического потенциала – достижение критического уровня – возникновение нервного импульса на постсинапсе.

4.6. Свойства химических синапсов.

Передача возбуждения в химических синапсах имеет ряд особенностей, отличающих их от электрических синапсов и нервных проводников:

1 – одностороннее проведение возбуждения. Поскольку медиатор находится только в пресинапсе , то возбуждение проходит строго в одном направлении- от пресинапса в постсинапс.

2 – наличие синаптической задержки. Все процессы, происходящие в синапсе длятся 2-3 мсек.

3 – низкая функциональная лабильность. В связи с задержкой возбуждения синапсы не способны пропускать через себя большое количество импульсов.

4 – обеспечивают как возбуждение, так и торможение постсинаптического нейрона, так как при химической передаче активные процессы возникают на постсинаптической мембране, а при электрической передачи – на пресинаптической (передается только возбуждение)

5– при химической передаче синапс сохраняет следы предшествующей активности.

6. возникновение ПД на постсинаптической мембране зависит от количества медиатора и не подчиняется закону «всё или ничего».

7. химические синапсы более чувствительны к действию различных химических веществ и ядов.

8. химические синапсы быстро утомляются, что связано с истощением запасов заготовленного медиатора и понижением чувствительности к медиатору постсинаптической мембраны.

4.7. Медиаторы нервной системы.

В настоящее время выделено большое количество химических веществ, участвующих в передаче возбуждения, т.е. обладающих медиаторной функцией. Медиаторная функция химических веществ определяется по ряду критериев:

1 – наличие их (веществ) в пресинапсе;

2. выделение этих веществ под влиянием нервного импульса;

3. действие их на постсинаптическую мембрану( наличие соответствующего хеморецептора на постсинаптической мембране);

4. наличие в синаптической щели фермента, разрушающего и инактивирующего данное вещество.

Согласно перечисленным критериям к медиатором можно отнести несколько групп веществ: 1- ацетилхолин. Это самый распространенный медиатор. К этому медиатору есть два вида рецепторов – Н-холинорецепторы (никотиночувствительные) и М-холинорецепторы (мускариночувствительные). Н-холинорецепторы находятся в скелетных мышцах и на постганглионарных нейронах вегетативной нервной системы, М-холинорецепторы – в нейронах головного мозга , в сердце и других внутренних органах. Нейроны головного мозга, имеющие М-холинорецепторы, играют важную роль в проявлении психических функций. С гибелью таких нейронов связывают развитие старческого слабоумия ( Болезнь Альцгеймера). 2- группа катехоламинов (адреналин, норадреналин, дофамин, ) 3-серотонин ; 4- нейтральные аминокислоты ( глютаминовая, аспарагиновая); 5- кислые аминокислоты ( гамма-аминомасляная кислота или ГАМК и глицин). Существует несколько механизмов, осуществляющих связывание высвобожденной молекулы с рецептором и вызывающих последующие изменения в постсинаптическом нейроне. Когда эти изменения ограничиваются мембраной постсинаптического нейрона и приводят к возникновению постсинаптического потенциала, тогда высвобождаемая молекула действует как типичный или классический медиатор. Эти вещества относятся к низкомолекулярным и водорастворимым соединениям с кратковременным действием. Примером типичного медиатора является ацетилхолин. Если высвобожденная молекула инициирует изменения, происходящие в цитоплазме или ядре клетки и вызывает более сложные эффекты ( чаще всего это осуществляется с помощью посредников) , тогда говорят о модуляторах. Эти вещества обладают более длительным действием. К модуляторам также относятся вещества, влияющие на выделение, связывание или действие типичных медиаторов. Промежуточное место между типичными медиаторами и модуляторами занимают катехоламины – это «медиомодуляторы». К модуляторам относят большую группу высокомолекулярных соединений –нейропептидов. Эти вещества синтезируются клетками головного мозга и имеют целый ряд отличий от других информационных субстанций:

1. нейропептиды в основном действуют как модуляторы или регуляторы нейронов, они могут изменять реакции нервных клеток на классические медиаторы. Но они могут выполнять и передаточную (медиаторную) функцию. Например, вещество Р ( от слова «powder»-порошок) участвует в передаче болевой чувствительности.

2. нейропептиды обладают высокой биологической активностью;

3. эти вещества способны индуцировать выход во внутреннюю среду (кровь, лимфу и т.д.) других пептидов. Они запускают каскад процессов, которые развертываются уже без участия исходного пептида.

4. нейропептиды полифункциональны. Они участвуют в регуляции множества мозговых функций. Например, эндогенные опиаты (эндорфины и энкефалины) участвуют в защитных реакциях при стрессе, обезболивании, вызывают положительные эмоции и т.д.

5. нейропептиды являются совершенным инструментом осуществления интегративной деятельности мозга, они способны инициировать целостное поведение или отдельные поведенческие акты. Они составляют биохимическую основу для формирования следов памяти;

6. основное место действия нейропептидов – неспецифические структуры мозга, участвующие в регуляции функционального состояния мозга.