Александров Ю.И., Анохин К.В. - Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование_ Фундаментальное руководство (2008)

сти нервных систем, которая быстро превратилась в физическую битву морфологических конструкций. В кратчайшие по историческим меркам сроки были опробованы все мыслимые и немыслимые типы интегрирующих нервных систем. Они сталкивались между собой и порождали еще более оригинальные и эффективные устройства. О них мы можем судить только по фантастическим вариантам строения нервных систем низших беспозвоночных, дошедших до наших времен.

Выводы

•Любой биологический объект существует до тех пор, пока через него проходит поток энергии в виде пищи (для животных) или электромагнитного излучения в сочетании с неорганическими соединениями (для растений).

•Основная активность мозга направлена на то, чтобы получать как можно больше энергии и как можно меньше ее расходовать. Нервная система является источником быстрой реакции организма на любые изменения окружающей среды.

•Растения и животные, не имеющие нервной системы, обладают развитой чувствительностью ко всем основным типам сигналов: хими- ческим, механическим и электромагнитным.

•При отсутствии нервной системы возможен выбор основного раздражителя. Скорость наблюдаемой реакции при выборе основного направления ответа зависит от размера организма. Простейшие реагируют быстро и очевидно, а растения медленно, что маскирует их высокую чувствительность к внешним влияниям.

•Отсутствие оперативной индивидуальной памяти у донервных организмов компенсируется генетически детерминированными реакциями или направленным морфогенезом.

•Основной биологической причиной возникновения нейронов стала низкая скорость получения информации о внешнем и внутреннем мире организма с донервной организацией. Нервная система давала огромное преимущество, которого невозможно достичь при помощи универсальных свойств неспециализированных клеток. Это увеличение скорости реакции организма на изменяющиеся внутренние и внешние условия. Как только нервная система позволила животным быстро адаптироваться к изменяющимся условиям, активно разыскивать пищу и половых партнеров, наступило время динамичной эволюции животного мира.

•В соответствии с гипотезой Гертвигов источником всех нервных клеток является первичная чувствительная клетка, возникшая из эктодер-

90

мы и получившая возможность воспринимать раздражения, генерировать и проводить возбуждение. Специализированные отростки этих клеток вступают в связь с независимо возникшими мышечными клетками.

•По гипотезе Клейненберга и Заварзина, нервная и мышечная системы возникли одновременно в виде образования, которое первона- чально не имело дифференцированных мышечных и нервных компонентов. В дальнейшем произошла дифференциация чувствительно-со- кратимых клеток на чисто сенсорные и моторные, а общность их происхождения стала основой нервно-мышечных взаимодействий.

•Единственной приемлемой группой для воссоздания гипотети- ческих причин появления нервных клеток являются губки.

•Начинать эволюционную реконструкцию появления нервных клеток с заявления о «необходимости рецептировать внешнюю среду» невозможно, так как клетки ничего о среде не знали, а вызвать в их цитоплазме «необходимость» можно только крайне вескими причинами. По-видимому, никакой связи с нервными функциями у будущих нервных клеток быть не могло.

•Важнейшим параметром эволюции нервной системы является уровень метаболизма нервной системы. Нейроны обладают метаболизмом, сопоставимым с нагруженными мышечными клетками, что требует оценки происхождения нервной ткани именно с этих позиций.

•По-видимому, нервные клетки возникли из эктодермы, что подтверждается всем опытом эмбриологии. Прообразом эктодермальных клеток являются пинакоциты клеточной системы губок. Увеличив количество отростков, пинакоциты трансформировались в пронейроны, а их тела начали погружаться в мезоглею.

•Следующие принципиальные этапы в эволюции нервной системы — интеграция отдельных пронейрональных клеток в элементарную сеть, охватывающую все тело древней губки, и интеграция пронейронов и пинакоцитов, способных сокращаться. Метаболическими причинами было обусловлено как появление отростков, так и дифференциация нескольких типов нервных клеток. Появились специализированные чувствительные и двигательные нейроны.

•Примитивная пронейрональная система могла принципиально изменить как биологию организмов, так и их эволюционное будущее. Животные, способные оценивать увеличение количества пищи внутри организма и определять направление на ее источник, стали идеальным прототипом для начала эволюции нервной системы. Началась конкурентная эволюция эффективности нервных систем, которая быстро превратилась в физическую битву морфологических конструкций.

91

Цитированная литература

Рекомендуемая

1.Барнс Р., Кейлоу П., Олив П., Голдинг Д. Беспозвоночные / пер. с англ. М.: Мир, 1992.

2.Беклемишев В. Н. Основы сравнительной анатомии беспозвоночных.

Ò.1. М.: Наука, 1964.

3.Вестхайде В., Ригер Р. Зоология беспозвоночных / пер. с англ. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2008.

4.Заварзин А. А. Избранные труды. Т. 3. Ì.-Ë.: èçä-âî ÀÍ ÑÑÑÐ, 1950.

5.Иванова-Казас О. М. Морфогенетические процессы при разных типах размножения и в ходе регуляций. Л.: изд-во ЛГУ, 1974.

6.Иванова-Казас О. М. Сравнительная эмбриология беспозвоночных животных. Низшие хордовые. М.: Наука, 1978.

7.Иванова-Казас О. М. Эволюционная эмбриология животных. СПб: Наука,

1995.

8.Ливанов Н. А. Пути эволюции животного мира. М.: Сов. наука, 1955.

9.Савельев С. В. Введение в зоопсихологию. М.: Àðåà-17, 1998.

10.Савельев С. В. Сравнительная анатомия нервной системы позвоноч- ных. М.: Гэотар-мед, 2001.

11.Савельев С. В. Происхождение мозга. М.: Веди, 2005.

Дополнительная

1. Barbanera F., Erra F., Banchetti R. Non-Adaptive Behaviour of Isotropically Heated, Inert Populations of Oxytricha bifaria (Ciliophora, Stichotrichia) //

J.Eukaryot. Microbiol. 2002. Vol. 49, ¹. 1. P. 54-62.

2.Bream J., Davis R.M. Rain, windand touch-induced expression of calmodulin and calmodulin-related genes in Arabidopsis // Cell. 1990. Vol. 60. P. 352-364.

3.Hertwig O. Das Nervensystem und die Sinnesorgane der Medusen. Leipzig: Verlag von F.C.W. Vogel, 1878.

4.Iftode F., Prajer M., Frankel J. Nuclear and Cortical Regulation in Doublets of Paramecium: II. When and How do Two Cortical Domains Reorganize to One? // J. Eukaryot. Microbiol. 2001. Vol. 48, ¹ 6. P. 690-712.

5.Kuhlenbeck H. Invertebrates and Origin of Vertebrates. Geneva: Karger Press, 1967.

6.Lipps J. H., Signor W. Origin and early evolution of the Metazoa. N. Y.: Plenum Press, 1992.

7.McConnel J. V. Comparative physiology: Learning in invertebrates // Annu. Rev. Physiol. 1966. Vol. 28. P. 107-136.

8.Meglitsch P. A., Schram F. R. Invertebrate zoology. Lond.: Oxford Univ. Press, 1991.

92

Раздел III. ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

ÂНЕЙРОНЕ, НЕЙРОПЛАСТИЧНОСТЬ

ÈПАМЯТЬ

93

Глава 5. МЕМБРАННАЯ НЕЙРОРЕЦЕПЦИЯ

В основе функционального взаимодействия между нейронами лежат механизмы генерации потенциалов в мембранах нейронов и их отростков. Эти потенциалы обусловлены ионными токами, которые возникают в результате перемещения через мембрану нейронов катионов (Na+, K+ è Ca2+) и анионов (Cl-) по их концентрационным градиентам. Эти ионы проходят через мембрану через специализированные белковые образования — ионные каналы.

5.1. Механизмы, управляющие состоянием ионных каналов

Каждый канал, представляющий собой белок, характеризуется двумя или более относительно стабильными конформационными состояниями. Каждое из этих состояний рассматривают как функциональное состояние. Например, каждый канал имеет, по крайней мере, одно открытое и одно (или два) закрытых состояний. Механизм переключения между этими состояниями каналов предположительно состоит в изменении конформации канального белка. Например, при электронно- и криомикроскопическом исследовании плотных межклеточных контактов показано, что открывание ионных каналов состоит в согласованном скручивании и изменении наклона шести белковых субъединиц, образующих ионный канал (рис. 5.1). В активном состоянии ионный канал открыт и способен пропускать ионы, а в неактивном состоянии закрыт и не способен пропускать ионы.

Ионные каналы подразделяют на несколько основных групп в зависимости от механизма их активации (инактивации):

—лиганд-активируемые (хемозависимые) каналы открываются при конформационном взаимодействии молекулы лиганда (медиатора или модулятора) с рецепторной частью канала;

—каналы, активируемые фосфорилированием (или дефосфорилированием) и инактивируемые дефосфорилированием (или фосфорилированием);

—каналы, напрямую активируемые ГТФ-связывающими белками (G-белками), открываются в результате связывания с димером из βγ-субъединиц G-белков;

—каналы, напрямую активируемые (инактивируемые) циклическими нуклеотидами (цАМФ и цГМФ);

94

Ðèñ. 5.1. Ионный канал, формирующий плотный межклеточный контакт, состоит из шести белковых субъединиц. Открытие ионного канала заключается в согласованном скручивании и изменении наклона субъединиц канала. Внизу — изображение закрытых и открытых каналов, полученных методом криомикроскопии.

—потенциал-активируемые (потенциал-зависимые) каналы открываются в результате воздействия электрического поля на активационные ворота — часть белковой молекулы канала, имеющую дипольную природу;

—каналы, активируемые растяжением или сжатием участка клеточной мембраны, прилежащего к каналу;

—и некоторые другие.

В неактивном состоянии канал может быть закрыт или инактивирован, причем такие состояния управляются отдельными механизмами. Химическая синаптическая передача обеспечивается первыми че- тырьмя группами каналов.

5.2. Мембранные рецепторы

Мембранные рецепторы могут быть локализованы на пресинапти- ческих и постсинаптических мембранах. Пресинаптические рецепторы реагируют на медиатор, который выделяется из этих же аксонных терминалей, обеспечивая так называемую ауторегуляцию, заключающую-

95

ся в модуляции процесса экзоцитоза медиатора из везикул по принципу положительной или отрицательной обратной связи. Другими словами, высвобождаемый из терминали медиатор воздействует на собственные же пресинаптические рецепторы, уменьшая или увеличивая его последующее высвобождение.

Мембранные рецепторы могут выполнять функции гетерорецепторов. Гетерорецепторы локализуются на пресинаптических мембранах, при этом из этих терминалей выделяется медиатор, к которому данный рецептор нечувствителен. Эти рецепторы реагируют на другие медиаторы, которые выделяются из соседних клеток, и модулируют выделение медиатора из пресинаптической терминали, на которой они локализованы. Такая модуляция заключается во влияниях на возбудимость нервных окончаний, биосинтез медиаторов, вход Са2+, стадии экзоцитоза. Функционально такие рецепторы осуществляют пресинаптическую модуляцию.

5.2.1. Рецепторы прямой синаптической передачи

Лиганд-активируемые каналы состоят из двух функциональных частей: собственно канала (ионной поры) и рецептора, связывающегося с лигандом (медиатором). Эти функциональные части интегрированы в одну белковую молекулу. Следует отметить, что лигандактивируемые каналы предпочтительнее называть рецепторами (или рецепторно-канальными комплексами), так как их свойства зависят в первую очередь от связывания лигандов, а не от специфических свойств собственно канала. Рецептор, который интегрирован с ионным каналом в одной белковой молекуле, называют ионотропным. Такие рецепторы обеспечивают так называемую прямую синаптическую передачу, при которой лиганд, связываясь с рецептором, напрямую вызывает постсинаптический эффект в течение нескольких миллисекунд (рис. 5.2). Ионные каналы, управляемые такими рецепторами, обычно высокоселективны к одному или более ионам (Na+, K+, Ca2+ èëè Cl-). Такие каналы дополнительно модулируются аллостерическими лигандами, блокаторами проводимости, ионами или мембранным потенциалом.

Ионотропные рецепторы характеризуются высокой степенью гомологии кодирующих их генных последовательностей. По химическому строению эти рецепторы подразделяют на три подсемейства: Cys-loop рецепторы (с цистеин-петлей), ионотропные глутаматные рецепторы и АТФ-управляемые каналы (табл. 5.1).

96

Ðèñ. 5.2. Прямое действие медиаторов (прямая синаптическая передача) на лиганд-активируемые ионные каналы. Медиатор связывается с рецепторной частью канала и напрямую открывает его.

Таблица 5.1

Ионотропные рецепторы. Рецепторы называют по агонисту, который их активирует. В скобках указано число идентифицированных разновидностей субъединиц рецепторов для данного медиатора. Число разновидностей субъединиц рецепторов может различаться в различных литературных источниках

5.2.2. Рецепторы непрямой синаптической передачи

Лиганд-активируемый рецептор может представлять собой отдельный белок, встроенный в мембрану и пространственно разделенный с ионным каналом. Синаптический эффект таких рецепторов состоит в инициации метаболических каскадов, управляющих состоянием ионных каналов. Эти рецепторы вызывают эффекты посредством взаимодействия

97

с ГТФ-связывающими белками (G-белками) (рис. 5.3). Рисунок отражает общую схему непрямой синаптической передачи, так как существует большое многообразие механизмов, управляющих состоянием канала. В некоторых случаях непрямые механизмы модулируют эффективность прямой синаптической передачи (процесс нейромодуляции).

Ðèñ. 5.3. Непрямое действие медиаторов (непрямая синаптическая передача). Агонист (А) связывается с метаботропным рецептором, который активирует различные механизмы внутриклеточных путей сигнализации, управляющих состоянием ионных каналов.

В настоящее время идентифицировано более тысячи метаботропных рецепторов, которые активируются классическими медиаторами. По гомологии кодирующих генных последовательностей среди метаботропных рецепторов выделяют три подсемейства: родопсинподобные, секретинподобные и метаботропные глутаматные рецепторы (табл. 5.2). Существуют метаботропные рецепторы, которые активируются светом, одорантами, а также протеазами. Описано несколько способов связывания лиганда, приводящих к одинаковому изменению структуры трансмембранной части рецептора. Петли молекулы рецептора, обращенные в цитоплазму, и примембранная карбоксильная группа участвуют в связывании и активации G-белков, а также в регуляции состояния рецептора (рис. 5.4).

5.3. Структура и функции G-белков

G-белки, способные связываться с гуаниновыми нуклеотидами, являются тримерами, состоящими из трех субъединиц — α, β и γ. Существует большое количество разновидностей каждой из субъединиц (20 α, 6 β и 12 γ), что создает основу для большого количества их комбинаций.

98

Ðèñ. 5.4. Структура метаботропного рецептора. Фосфорилирование нескольких оснований на третьей цитоплазматической петле и на карбоксильном конце (например, цАМФ-зависимой протеинкиназой) вызывает десенситизацию рецептора. Фосфорилирование карбоксильного конца (например, β-адреноре- цептор-киназой) также приводит к десенситизации рецептора.

99