Торможение в центральной нервной системе
В этом разделе речь пойдет о торможении, которое называется безусловным. В отличие от условного, безусловное торможение дается нам от рождения (врожденное). В центральной нервной системе торможение имеет огромное значение, поскольку особенностью ее строения является отсутствие морфологических барьеров, препятствующих вовлечению в возбуждение многих нейронов, не участвующих в данной рефлекторной реакции.
Строение нервной системы таково, что любой нейрон может передать импульсы другому, сколь угодно далеко расположенному нейрону. Однако в действительности этого не происходит. В рефлекторных дугах импульсы возбуждения двигаются в пределах строго очерченных нейронных цепей, вызывая на периферии совершенно определенные, специализированные реакции эффекторов.
Вместо морфологических барьеров, препятствующих неограниченному распространению возбуждения, в нервной системе существуют механизмы, направляющие потоки импульсов по определенным каналам. Такими механизмами являются различные виды торможения.
Здесь уместно будет сделать короткий экскурс в эволюцию нервной системы, чтобы понять, как сложилась в ней способность к иррадиации и концентрации возбуждения – двух противоположных процессов, без которых невозможна координирующая функция.
Не вдаваясь слишком далеко в прошлое, остановимся на том этапе, когда существовали животные, обладающие диффузной нервной системой. Они существуют и сейчас (например, медузы).
У этих животных нейроны были разбросаны по всему телу, образуя сеть. Координация при таком строении нервной системы была весьма ограничена, и на любое раздражение животное реагировало всем организмом.
Дальнейший путь развития шел по линии централизации и сегментирования. Нейроны у различных животных были объединены в узлы и трубку и в обоих случаях нервная система и само тело животного были разделены на сегменты. Так появились узелковый и трубчатый типы нервной системы.
Нас будет интересовать трубчатый тип, поскольку именно такой нервной системой обладают высшие животные. Узелковый же тип получил развитие у насекомых и головоногих моллюсков.
Типичным для трубчатой нервной системы является обособление афферентных нейронов, которые концентрируются в чувствительных ганглиях, расположенных в непосредственной близости от центрального ствола. В самой нервной трубке происходит разделение на серое и белое вещество. Первое образуется и скопления нейронов различной функциональной модальности, второе из их отростков, соединяющих друг с другом различные сегменты.
В (из) передней части трубки развивается головной мозг, который имеет связь с высокодифференцированными рецепторами, такими, как зрительный, слуховой, обонятельный и т.п. Предполагается, что сложная информация, поставляемая этими рецепторами, привела к развитию головного мозга.
Примером наиболее отчетливого сегментирования является спинной мозг и стволовая часть головного мозга (черепно-мозговые нервы). Начиная с таламуса, сегментированность исчезает. (сегментарность )
Несмотря на столь сложное строение, трубчатая нервная система не утратила свойство сетевой. Это выражается в контакте между всеми нейронами и возможности беспредельного распространения (иррадиации) возбуждения по всей нервной системе.
Этот процесс ограничивается механизмами торможения, которые направляют потоки информации по определенным каналам, обеспечивая в наиболее совершенной форме проявление рефлекторного принципа, и как следствие, осуществление совершенной регулирующей и координирующей функций. Перейдем к рассмотрению механизма торможения.
Их пресинаптические нервные окончания выделяют медиаторы, причем подчас такой же химической природы, как и в возбуждающих синапсах, - например ацетилхолин. (Стиль)
Постсинаптическое торможение
Вначале несколько слов об истории вопроса. Впервые с процессом торможения физиологи познакомились благодаря открытию братьями Вебер (1949 г.) тормозящего действия блуждающего нерва (n. Vagus) на сердце. В дальнейшем этот вид торможения получил название периферического.
Первым экспериментальным фактом, говорившим о проявлении торможения в центральной нервной системе, была открытая Траубе (1847 г.) остановка дыхательных движений (торможение дыхательного центра) при раздражении центрального конца блуждающего нерва. Однако этот факт не привлек должного внимания физиологов.
Настоящее изучение торможения в центральной нервной системе начинается после работ И. М. Сеченова (1863 г.), который в опытах на лягушках показал тормозящее действие раздражения таламуса на спинномозговые рефлексы. Вскоре опыты Сеченова были подтверждены на теплокровных животных Симоновым (1866 г.).
Сеченову не только удалось показать существование в центральной нервной системе процесса торможения, но и утвердить представление о существовании специальных тормозных механизмов, подавляющих другие центры. В дальнейшем это открытие оказалось весьма плодотворным при изучении механизмов торможения. Перейдем к рассмотрению тормозных механизмов (механизмов торможения) и, прежде всего, познакомимся с механизмом постсинаптического торможения.
Этот вид торможения осуществляется с помощью тормозных синапсов, которые образуют тормозные вставочные нейроны на телах и дендритах возбуждающих нейронов.
По своей конструкции тормозные синапсы не отличаются от возбуждающих. Они также состоят из пре- и постсинаптической мембран, разделенных синаптической щелью. Как и в возбуждающих синапсах, их пресинаптические нервные окончания выделяют медиаторы, причем, подчас такой же химической природы, как и в возбуждающих синапсах.
Различие с возбуждающими синапсами обнаруживается благодаря особенностям ответа постсинаптической мембраны.
Постсинаптическая мембрана гиперполяризуется или деполяризуется (но не до критического уровня, когда активируются натриевые каналы и происходит разряд нейрона).
При гиперполяризации мембраны на ней возникает тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП), делающий невозможным ее деполяризацию до критического уровня (–50 мВ) и активацию натриевых каналов. Если такое изменение мембраны распространяется на весь нейрон или большую его часть, то действие возбуждающих синапсов становится не эффективным и нейрон затормаживается.
При деполяризации мембраны с помощью активации хлорных каналов (при этом хлор выходит из нейрона) теряется способность к изменению ионной проводимости и активации натриевых каналов.
Итак, в настоящее время установлено, что постсинаптическое торможение не обязательно сопровождается гиперполяризацией постсинаптической мембраны. Значение имеет не направленность сдвига потенциала на мембране, а невозможность ее деполяризовать.
Среди тормозных, гиперполяризующих постсинаптическую мембрану медиаторов наиболее широко в центральной нервной системе распространена гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Она является продуктом декарбоксилирования L-глутаминовой кислоты и имеет форму HOOCCH2CH2CH2NH2.
В головном мозге млекопитающих существует несколько систем ГАМК-ергических нейронов, которые выполняют функцию тормозящих интернейронов. К таким, например, относят клетки Пуркинье, Гольджи, корзинчатые нейроны мозжечка, корзинчатые нейроны гиппокампа, зернистые клетки обонятельных луковиц, черная субстанция среднего мозга, в них содержание ГАМК особенно высокое.
Механизм действия ГАМК основан на активации хлорных каналов пре- и постсинаптической мембран. Эти мембраны снабжены ГАМКА-рецепторами.
Воздействие гамма-аминомасляной кислоты на ГАМКергические рецепторы постсинаптической мембраны активирует хлорные каналы, и анионы хлора поступают внутрь клетки. В результате мембрана гиперполяризуется и нейрон теряет способность (к) деполяризоваться при действии возбуждающих синапсов. Гиперполяризация делает невозможным достижение критического уровня деполяризации мембраны (-50 мВ), а следовательно, и активацию натриевых каналов.
При действии ГАМК на ГАМКА-рецепторы, расположенные на пресинаптической мембране, также активируются хлорные каналы, но при этом направление движения хлора меняется, теперь он поступает из нервного окончания наружу и пресинаптическая мембрана деполяризуется. В этом случае торможение возникает в результате блокады выделения медиатора.
Такая ситуация обычно наблюдается в терминалях сенсорных нейронов, локализованных в спинномозговых ганглиях и контактирующих с интернейронами задних рогов спинного мозга.
Эти нейроны обладают натрийзависимым хлорным насосом (активным устройством, получающим энергию от Na, К –АТФазного насоса), который переносит ионы хлора внутрь клетки, создавая концентрацию в нейроне выше, чем снаружи. Соответственно, в данном случае при активации хлорных каналов хлор выходит из клетки, пресинаптическая мембрана деполяризуется и синапс блокируется.
Вторым медиатором тормозящих синапсов, также широко распространенным в центральной нервной системе, является аминокислота глицин (HOOCCH2NH2). Этот медиатор вызывает торможение путем активации хлорных каналов и гиперполяризации постсинаптической мембраны.
Глицинергические нейроны находятся, главным образом, в спинном, продолговатом и среднем мозге, где они выполняют функцию тормозящих интернейронов, воздействуя на двигательные холинергические альфа-мотонейроны, управляющие скелетными мышцами.
Глицинергические нейроны синтезируют сами и накапливают из внеклеточной среды глицин с помощью специфического натрийзависимого (используют энергию натриевого насоса) транспортного механизма.
Специфическими рецепторами для глицина являются белки, расположенные на пре- и постсинаптической мембране. Рецепторы постсинаптической мембраны блокируются стрихнином, устраняющим гиперполяризующее действие глицина. Рецепторы пресинаптической мембраны парализуются столбнячным токсином, при этом секреция глицина блокируется и синапс теряет свое тормозящее действие.
Пресинаптическое торможение
Для возникновения пресинаптического торможения необходимо, чтобы дендрит или аксон тормозной клетки, выделяющей тормозной медиатор, контактировал с аксоном возбуждающего нейрона. Например, подобно аксону тормозной клетки Реншоу, контактирующей с дендритом нейрона спинномозгового узла, проводящим возбуждающие импульсы к альфа-мотонейронам (рис. 9).
Рис. 9. Взаимоотношение нейронов при пресинаптическом торможении:
А-1 – тормозящий нейрон (клетка Реншоу), А-2 – возбуждающий афферентный нейрон спинномозгового узла, А-3 – альфа-мотонейрон
(по Ткаченко)
Для работы аксо-аксонального тормозящего синапса необходимо, чтобы концентрация хлора в возбуждающем нервном окончании (рис. 9, А-2) была больше, чем снаружи (напомним, что обычно наблюдаются обратные отношения). Таким условиям отвечают дендриты сенсорных нейронов, локализованных в спинномозговых ганглиях, которые, как говорилось выше, обладают натрийзависимым активным транспортом хлора в клетку. Соответственно, у таких нейронов более высокий ток покоя (-80 м В).
В механизме пресинаптического торможения как раз и используется это свойство, афферентной терминали. Тормозящий нейрон (рис. 9. А-1), выделяя в качестве медиатора ГАМК, активирует хлорные каналы. В результате, подчиняясь концентрационному градиенту, хлор выходит наружу, пресинаптический участок афферентного нервного окончания деполяризуется и возбуждающий синапс (А-2) перестает функционировать.
Наиболее вероятной причиной блокады синапса является изменение свойства его пресинаптической мембраны, которая теряет способность деполяризоваться и выделять медиатор под влиянием афферентного сигнала.
Парабиотическое торможение
Парабиотическое торможение было открыто Р.Е. Введенским на нервно-мышечном препарате лягушки и в дальнейшем обнаружено в различных центрах центральной нервной системы. Чтобы разобраться в его механизме, надо познакомиться с учением Введенского о парабиозе. Эта теория объясняет, каким образом процесс возбуждения, без всяких дополнительных устройств, только благодаря изменению параметров раздражения, превращается в торможение.
Теория Введенского включает в себя три части: учение о «функциональной лабильности», учение о «стационарном возбуждении» (парабиозе) и учение об «элетротоне». Для понимания механизма парабиотического торможения нам потребуется знакомство с двумя первыми частями теории.
Начнем с понятия «функциональной лабильности». Под этим термином Введенский понимал время развития одного элементарного процесса возбуждения. Поскольку этот процесс сопровождается возникновением на мембране тока действия, то можно сказать – время активации и инактивации натриевых и калиевых ионных каналов.
Функциональная лабильность является тем показателем, который определяет, при каких условиях возбуждение превращается в процесс торможения. Это случается, когда частота раздражителя превосходит функциональную лабильность.
При этом импульсы раздражения попадают в фазу деполяризации тока действия, натриевые каналы не могут инактивироваться и в месте раздражения возникает стойкая, но не распространяющаяся деполяризация или, по Введенскому, – стационарное возбуждение, которое он называл парабиозом.
Очаг парабиоза влияет на распространение возбуждения в зависимости от той стадии, в которой он находится. Различают три стадии: уравнительную (провизорную), парадоксальную и тормозную.
В уравнительной стадии очаг пропускает все импульсы, уравнивая их по силе, в парадоксальной – только слабые, в тормозной – полностью блокирует проведение возбуждения.
Развитие парабиотического торможения лучше всего можно продемонстрировать на нервно-мышечном препарате. Напомним, что этот препарат состоит из седалищного нерва и икроножной мышцы лягушки. С точки зрения Введенского, он является гетерохронной структурой, поскольку включает в себя элементы, обладающие различной функциональной лабильностью.
Наиболее высокая лабильность у нерва – 1/500 с, более низкая у мышцы – 1/300с, самая низкая у нервно-мышечного синапса – 1/120 с.
При раздражении препарата током различной частоты наблюдается явление так называемого «оптимума» и «пессимума» Введенского. Низкая частота (20 – 30 имп/с), соответствующая лабильности всех частей препарата, вызывает сокращение мышцы, увеличение же частоты до 150 – 200 имп/с ведет к полному ее расслаблению – пессимуму.
Пессимальное торможение сокращения возникает в результате стационарного возбуждения (парабиоза) в самом низколабильном звене препарата – мионевральном синапсе, который не может повторить частоту раздражения, большую, чем его лабильность.
В центральной нервной системе пессимальное торможение может возникать в тех центрах, где имеются низколабильные нейроны, контактирующие с интернейронами, обладающими высокой частотой разряда.