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

нейрофизиологии и моделирования мозговых механизмов высших психических функций. Евгений Николаевич придавал огромное значение изучению нейронной активности мозга и на I Международном психофизиологическом конгрессе в 1982 г. (г. Монреаль), вместе с другой легендой нейронауки Х. Дельгадо, провидчески отстаивал определение психофизиологии как науки о нейронных механизмах психических процессов и состояний. Светлая память о нашем Учителе Евгении Николаевиче Соколове навсегда сохранится в наших сердцах и наших делах.

Авторы руководства выражают глубокую признательность руководству Тюменского государственного университета за приглашение участвовать в этом крайне актуальном и перспективном издании.

Редакционный совет

10

Глава 1. НЕЙРОННАЯ ДОКТРИНА

Глава посвящена описанию строения и функции нейрона. Предварительно дана историческая справка о возникновении такой научной проблемы, как нейронная доктрина. Представлены основные положения доктрины. Описаны основные внутринейронные включения и их роль в поддержании активности нейрона. Показана роль мембранных белков в обеспечении целостности нейрона и его функций. Описаны концепции возникновения потенциала покоя и потенциала действия на мембране нейрона.

1.1. История формирования и основные положения нейронной доктрины

В 1838 г. два немецких ученых — Матиас Джакоб Шлейден и Теодор Шванн — сформулировали смелую для того времени клеточ- ную теорию, смысл которой заключался в том, что все растительные, органические ткани, в том числе и нервная ткань, состоят из клеток. Дальнейшее развитие клеточной теории применительно к нервной ткани развивалось итальянским анатомом Камилло Гольджи, испанским гистологом Сантьяго Рамон-и-Кахалом и другими выдающимися морфологами XIX в. Авторы показали, что нейроны в отличие от сомати- ческих клеток имеют отростки, аксоны и дендриты, с помощью которых нервные клетки соединяются друг с другом (Шеперд, 1987). Однако на прокрашенных по методу Гольджи препаратах мозга им не удалось увидеть реальных связей между нейронами. Причиной являлись миелиновые клетки, обволакивающие отростки нейронов. Поэтому у двух великих ученых — Кахала и Гольджи, — получивших за свои исследования общую Нобелевскую премию, были существенные разногласия относительно принципов строения нервной системы.

Гольджи считал, что отростки нейронов представляют обширную сеть анастамозов в сером веществе, которые объединяют нейроны друг с другом, — ретикулярная гипотеза. Сторонники ретикулярной гипотезы считали, что по этим анастамозам нейроны могут обмениваться веществами плазмы.

Кахал отстаивал точку зрения о том, что нейроны изолированы друг от друга и являются структурными элементами ЦНС. Какие для этого были доказательства?

1) Кахал улучшил гистологическую технику Гольджи, а для препаратов брал мозги молодых животных и мозги птиц, в которых было

12

большое количество немиелинизированных аксонов. На основании рисунков своих препаратов различных областей мозга Кахал показал, что между нейронами нет непрерывной связи. 2) Существуют эмбриологические доказательства того, что нейроны не переходят один в другой с помощью отростков. Так, Вильгельм Гис, как и Рамон-и-Кахал, в 1886 г. документально доказал, что дендриты и аксоны в мозге эмбрионов растут более интенсивно у незрелых нейронов. Отсюда и гипотеза, что между нейронами существуют контакты, стала более вероятной, чем гипотеза анастамозов. В то же время Гис считал, что ученые придут к идее непрямой передачи возбуждения между нейронами. 3) Еще одним доказательством контактной связи между нейронами является открытие швейцарского ученого Августа-Генри Фореля. В 1886 г. он обнаружил, что если разрушено тело нейрона или перерезан аксон, то дегенеративные процессы нейрона заканчиваются в местах его контакта с другими нейронами. Этот факт дал окончательные и убедительные основания утверждать о морфологически раздельном существовании нейронов.

После длительной дискуссии относительно природы связей между нейронами в ЦНС немецкий анатом Генрих Вильгельм вон Вальдейер написал в 1891 г. серьезный научный обзор, в котором подверг резкой критике идеи ретикулярного принципа строения нервной системы. Он полностью обосновал и поддержал идею Кахала и, основываясь на работах Форела, Гиса и других ученых, дал ей название нейронная доктрина или нейронная теория (Шеперд, 1987).

Нейронная доктрина основана на целом ряде принципов.

1)Нейрон является структурной и функциональной единицей нервной системы. Нервная клетка имеет несколько протоплазматических выростов (дендриты) и одно волокно, или осевой цилиндр (аксон), который на конце разветвляется на множество коллатералей (Рис. 1.1). Коллатерали аксона контактируют с другими нервными клетками. Термин «дендрит» был предложен Гисом в 1889 г., «аксон» — Колликером в 1896, «нейрон» — Вальдейером в 1891 г. Нейроны являются отдельными клетками, которые не переходят один в другой ни анатомически, ни генетически.

2)Нейрон является эмбриологической единицей (единицей развития). Показано, что аксон и дендриты нервной клетки растут от тела клетки во время всего эмбрионального развития и их рост завершается свободными окончаниями. Кахал обнаружил, что на конце растущего отростка имеется утолщение — растущий конус. Позднее Харрисон

13

(1907) показал, что растущие конусы способны совершать амебовидные движения, чтобы достичь конечной цели.

Ðèñ. 1.1. Пирамидный нейрон (Cotman, McGaugh, 1980)

3)Кахал выявил характерные структуры на дендритах, которые по их виду были названы им «шипиками» (Рис. 1.2). Позднее будет доказано, что шипики являются частью синаптического аппарата на дендритах. При обучении количество шипиков увеличивается. Кахал предположил, что увеличение шипиков на дендритах может быть связано с обучением и формированием памяти.

4)Нейрон является метаболической (трофической) единицей: дистальный отдел нервного волокна дегенерирует в результате перерезки нервного волокна (антероградная дегенерация, Waller, 1852). После

14

перерезки клетки наблюдается атрофия тела клетки (ретроградная дегенерация, Gudden, 1870). Однако дегенерация не распространяется за пределы поврежденного нейрона.

Ðèñ. 1.2. Шипики на дендритах (Фотография Кахала)

5)Нервная система состоит из популяции нейронов, организованных в функциональные системы (Шеперд, с. 29).

6)В рамки нейронной доктрины включен и закон динамической поляризации, сформулированный Кахалом. Согласно этому закону потенциалы действия или возбуждение идет в одном направлении — в основном от рецептивной поверхности дендритов по телу и от тела на аксон — и завершатся на разветвлениях, контактирующих с другими нейронами. Закон основан на описании связей между нейронами в спинном мозге, мозжечке, гиппокампе, обонятельной луковице и сет- чатке. Этот закон выступает, по мнению Кахала, как основной принцип функционирования нервных связей.

7)Â 1943 Ó. Ñ. Мак-Каллок и У. Питтс добавили, что в рамках информационной парадигмы нейрон является основной единицей обработки информации.

8)Окончательным подтверждением нейронной доктрины стало подтверждение существования синапсов с помощью электронной микроскопии (Palade and Palay, 1954; DeRobertis, 1954).

1.2. Ранние представления о функции нейрона

Помимо структурного описания нейрона как единицы нервной системы, исследователи 19 века пытались выяснить и функциональные особенности нейронов. Так, Кахал считал вполне вероятным, что «психические упражнения», т.е. обучение, ведут к усиленному росту ней-

15

ронных отростков, сопроводив свою идею довольно колоритной аналогией. Он писал, что «свободное разветвление способных расти отростков нервных клеток можно рассматривать как совершенно очевидный факт. Постоянная раз и навсегда установленная система, например, телеграфная сеть, без возможности установления в ней новых станций или новых линий остается ригидной и немодифицируемой, что противоречит нашему представлению о мозге как структуре, легко претерпевающей изменения в определенных рамках при ментальных упражнениях и особенно в период развития. Если прибегнуть к свободной аналогии, то мы можем сказать, что кора мозга подобна саду с огромным количеством деревьев — пирамидных клеток, у которых, благодаря разумной культивации, разрастаются ветви (дендриты) и углубляются корни (ответвления аксонов), что способствует появлению все большего количества и разнообразия цветов и плодов» (цит. по Rosenzweig, 1996).

У Рамон-и-Кахала соединения между нейронами еще не имели своего названия. Название «синапс» ввел Шеррингтон в 1897 г. Он также считал, что синапс выполняет основную роль в механизмах обу- чения: «Лишенная возможностей воспроизведения и размножения самой себя с помощью митоза или каким-то другим способом, нервная клетка направляет свою затаенную энергию на увеличение своих связей с другими клетками в ответ на события, которые ее возбудили. Следовательно, в отличие от других тканей нервная ткань способна обучаться» (цит. по Rosenzweig, 1996).

1.3. Строение нейрона

Для вхождения в проблему активности нейрона в ЦНС (центральная нервная система) необходимо кратко остановиться на его морфологии.

Мембрана нейрона.

Нейроны обладают высоким уровнем морфологической и функциональной специализации, и первый уровень специализации проявляется в структуре и динамике его мембраны. Как показывают результаты электронной микроскопии, плазматическая мембрана нейронов имеет такое же строение, что и у соматических клеток: она построена из липидов и протеинов (цепочек аминокислот) (Рис. 1.3). Основная структура мембраны двухслойная и представляет собой «сэндвич» из фосфолипидов, которые расположены таким образом, что полярные (заряженные) части прилежат к наружной части мембраны, а незаряженные части направлены вовнутрь клетки. Такая организация максимизирует число

16

гидрофобных и гидрофильных соединений, которые могут формировать и делать относительно прочной и очень тонкой оболочку, непроницаемую для большинства полярных молекул или ионов. Мембрана является динамичной, и часто ее описывают как «жидко-мозаичную» структуру (Singer, Nicolson, 1972). Липиды свободно диффундируют с одного участка на другой, обеспечивая тем самым мембране свойства жидкости. Два жидких липидных слоя мембраны (наружный и внутренний) позволяют свободно плавать в ней специализированным белкам и выполнять им свои функции. Белки могут проникать через оба слоя, образуя каналы для транспорта через них ионов и небольших молекул. Такие «интегральные белки» часто формируют межмембранные структуры. Другие, «периферические белки», локализованы только в наружной или внутренней мембранах, они подвижны и выполняют определенные функции. В жидкой мембране белки часто рассматриваются как частицы мембраны, произвольно плавающие в море липидов. Следует отметить, что белки, проникающие через оба слоя мембраны, находясь одним концом снаружи, а другим внутри клетки, превращают участки мембраны в функциональные единицы, обеспечи- вающие определенные потребности нейрона.

Ðèñ. 1.3. Схема строения мембраны нейрона

17

Мембрана нейрона неоднородна, некоторые авторы выделяют в ней такие специфические участки, как дендритную зону с большим коли- чеством синаптических контактов и пресинаптическую зону аксона. Кроме того, мембрана нейрона является асимметричной. На ее наружной части (как и на мембране соматических клеток) находится большое количество карбогидратов сиаловой кислоты, которые обеспечивает отрицательный заряд наружной поверхности мембраны.

Белки мембраны.

По своей функции делятся на насосы, каналы, рецепторы, ферменты и структурные белки. Насосы обеспечивают перемещение ионов и молекул против концентрационных градиентов и поддержание их необходимых концентраций в клетке. Поскольку заряженные молекулы не могут пройти через двойной липидный слой, в мембранах есть набор специфических белковых канальцев, по которым вовнутрь клетки проходят определенные ионы. Клеточные мембраны с помощью рецепторных белков узнают и прикрепляют к себе разные молекулы. Ферменты размещаются внутри мембраны или на ней и облегчают протекание химических реакций у поверхности мембраны, например АТФаза, которая расщепляет АТФ — универсальную единицу топлива — для обеспечения теплом локальных химических процессов. Структурные белки обеспечивают соединение клеток в органы и поддержание субклеточной структуры. Не у всех мембранных белков функция жестко фиксирована. Некоторые белки могут выполнять одновременно функции рецептора, фермента и насоса.

Кроме ионных насосов и канальцев, для выполнения основных функций нейронам требуются и другие белки. Одним из таких белков является фермент аденилатциклаза, который регулирует внутриклеточную концентрацию циклического аденозинмонофосфата (циклического АМФ — цАМФ). Циклические нуклеотиды, такие, как цАМФ, называют «вторичными мессенджерами». Внутри клетки цАМФ «собирает» информацию от первичных мессенджеров (нейромедиаторов) и подготавливает цитоплазму к возможным изменениям ее метаболизма. Основная гипотеза заключается в том, что повышение концентрации цАМФ в ответ на поступление на постсинаптические рецепторы таких нейромедиаторов, как норадреналин и дофамин, ведет к повышению активности протеинкиназы, которая (1) фосфорилирует определенные белки мембраны и изменяет проницаемость мембраны, (2) изменяет метаболические процессы в клетке за счет активации и индукции некоторых ферментов и белков. Общее заключение: цАМФ каким-то образом устанавливает уровень возбудимости нейрона (Cotman, McGaugh, 1980)

18

Понимание функций мембранных белков — один из этапов на пути к пониманию функций нейрона. Подобно всем другим клеткам организма, в нейроне поддерживается постоянство внутренней среды, которая существенно отличается от окружающей нейрон межклеточ- ной жидкости. Особенно выражены различия в концентрациях ионов натрия и калия (Na+, Ka+). Наружная среда приблизительно в 10 раз богаче Na+, чем внутренняя, а внутренняя среда в 10 раз богаче Ka+, чем межклеточная жидкость. Данное различие в концентрации ионов натрия и калия лежит в основе поддержки и развития электрических потенциалов на мембране нервных клеток.

2. ßäðî (Ðèñ. 1.4).

В каждой нервной клетке есть ядро, в котором хранится генети- ческий материал в виде хромосом. Хромосомы состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, которые вместе образуют гены. Во время эмбрионального развития гены контролируют синтез белка и через белки обеспечивают дифференцировку клетки, ее конечную форму и синаптические связи с другими клетками. В зрелом состоянии нейрона гены через контроль над синтезом белка контролируют активность нейрона. Ядро отделено от цитоплазмы двумя мембранами, которые в некоторых местах сходятся и образуют поры, через которые осуществляется обмен веществ между цитоплазмой и содержимым ядра.

3. Митохондрии (Ðèñ. 1.4).

Нейрон для выполнения своих функций нуждается в большом количестве энергии. Макроэргическая молекула АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) является основным источником энергии. Подвижные и пластичные митохондрии представляют собой окруженные двойной мембраной органеллы, в которых осуществляется синтез АТФ. Обычно митохондрии представляют собой мелкие (длиной 0,5-3 мкм) внутриклеточные образования, которые за счет своей подвижности располагаются в тех местах, где необходима энергия для поддержания химических процессов.

Для обеспечения внутриклеточных химических процессов теплом происходит расщепление (гидролиз) АТФ: от нее отделяется ион фосфора и энергия, которая удерживала этот ион с ионом АДФ (аденозиндифосфорная кислота). Энергия идет на поддержание химических процессов в нейроне, а АДФ-3 è Ð+3 поступают в митохондрии, в которых выделяющаяся от окисления глюкозы энергия идет на соединение этих ионов и образование АТФ.

19