Введение

Нервная система обеспечивает интегративное, гармоничное исполнение функций целостным организмом.

Особенности различных поведенческих реакций и функциональных актов нервной системы генетически детерминированы и закладываются в ходе ее онтогенетического развития.

В процессе развития нервной системы формируются генетически детерминированные нервные сети. В специфике их организации как бы преформированы особенности поведения, для организации которых уже не нужна транскрипционная активность каких-то новых нейроспецифических генов. Функция генов необходима лишь для восполнения запасов белков, утрачиваемых в ходе усиленного функционирования. При этом возрастает активность уже «работавших» нейрогенов без стимуляции транскрипции каких-либо новых последовательностей ДНК, так что специфика «новообразованного» поведенческого акта обусловлена преформированной в ходе онтогенеза организацией соответствующих нервных сетей, которые участвуют в организации этого акта. Таким образом, генетическая детерминированность нейроспецифических функций достигается благодаря функционированию нейрогенов, контролирующих онтогенетическое развитие нервной системы. Их мутации ведут к нарушению развития соответствующих отделов головного мозга (или соответствующих нервных клеток) и к аномалиям тех форм поведения, осуществление которых зависит от этих отделов мозга.

Таким образом, нейрогенетика изучает морфологические, молекулярные и физиологические механизмы развития и функционирования нервной системы. При этом исследуются самые разнообразные объекты – млекопитающие, насекомые, моллюски, амфибии и др. Предпочтение, естественно, отдается генетически хорошо изученным объектам, таким как дрозофила и мышь. В последнее время широко используются также быстро размножающиеся червь Caenorhabditis и рыбка Данио (zebra fish). Как и во всякой генетической работе, на первом этапе исследований ищут разнообразие по исследуемому признаку (например, по способности обучаться или по толщине коры головного мозга), затем определяют, детерминируется ли это разнообразие генетически. После этого начинают искать соответствующие гены и локализовать их на хромосомах и идентифицировать. Определяют их нуклеотидную последовательность, на основании чего можно «сконструировать аминокислотную последовательность белка и анализировать его возможное функциональное значение.

Нейронная теория – основа нейрогенетики

В основе нейрогенетики лежит нейронная теория, разработанная в деталях великим испанским нейрогистологом Рамон и Кахалем. Именно он, а также итальянский гистолог Камилло Гольджи открыли специфические методы исследования, которые позволили анализировать гистологическую структуру нервной системы, за что оба были удостоены Нобелевской премии в 1906 году.

В то время существовало две гипотезы о строении нервной системы – теория сети и нейронная теория.

Согласно теории сети (теория непрерывности, фибриллярная теория) нервная ткань представляет собой своеобразный синцитий, в котором клетки фактически лишены индивидуальности, ибо их отростки непрерывно переходят один в другой, так что формируется непрерывная диффузная нервная сеть (рис).

Согласно нейронной теории (1886), каждая нервная клетка представляет собой морфофункционально самостоятельную единицу и ее отростки заканчиваются свободно, а не сливаются с отростками других клеток (рис). Для обозначения этой автономной единицы немецким ученым Вальдейером еще в 1891 г. был предложен термин «нейрон», который используется в современной неврологии. Подтверждение клеточной теории строения нервной системы было получено с помощью электронной микроскопии, показавшей, что мембрана нервной клетки напоминает основную мембрану других клеток. Она представляется сплошной на всем протяжении поверхности нервной клетки и отделяет ее от других клеток.

Основные положения нейронной теории:

1)Вся нервная система, за вычетом вспомогательных, нейроглиальных клеток и соединительной ткани, слагается из огромного количества нейронов; только в коре головного мозга человека их насчитывают, по крайней мере 14 млрд, (В нервной системе человека содержится около 100 млрд нервных клеток). Каждый нейрон является клеточной единицей, самостоятельной в гистогенетическом, анатомическом и функциональном отношении.

Понятие, что одиночная нервная клетка служит основной функциональной единицей, сменилось представлением о том, что такой функциональной единицей является ансамбль тесно связанных друг с другом нейронов. Нервная система состоит из популяций таких единиц, которые организованы в функциональные объединения разной степени сложности. Поскольку каждая нервная клетка функционально связана с тысячами других нейронов, то количество возможных вариантов таких связей близко к бесконечности.

2) Каждый нейрон у зародыша развивается из одной зародышевой клетки, нейробласта. Особенностью нейронов является то, что они никогда не делятся.

Нервные клетки выполняют ряд общих неспецифических функций, направленных на поддержание собственных процессов организации. Это обмен веществами с окружающей средой, образование и расходование энергии, синтез белков и др. Кроме того, нервные клетки выполняют свойственные только им специфические функции: они способны воспринимать информацию, перерабатывать (кодировать) ее, быстро передавать информацию по конкретным путям, организовывать взаимодействие с другими нервными клетками, хранить информацию и генерировать ее. Для выполнения этих функций нейроны имеют полярную организацию с разделением входов и выходов и содержат ряд структурно-функциональных частей.

Тело нейрона, которое связано с отростками, является центральной частью нейрона и обеспечивает питанием остальные части клетки. Оно содержит ядро или ядра, содержащие генетический материал. Ядро регулирует синтез белков по всей клетке и контролирует дифференцирование молодых нервных клеток. В цитоплазме тела нейрона содержится большое количество рибосом. Одни рибосомы располагаются свободно в цитоплазме по одной или образуют скопления – «розетки», где синтезируются белки, которые остаются в клетке. Другие рибосомы прикрепляются к эндоплазматическому ретикулюму, представляющему внутреннюю систему мембран, канальцев, пузырьков. Прикрепленные к мембранам рибосомы синтезируют белки, которые потом транспортируются из клетки. Скопления эндоплпзматического ретикулюма со встроенными в него рибосомами составляют характерное для тел нейронов образование – субстанцию Ниссля. Скопления гладкого эндоплазматического ретикулюма, в которые не встроены рибосомы, составляют сетчатый аппарат Гольджи; предполагается, что он имеет значение для секреции нейромедиаторов и нейромодуляторов. Лизосомы представляют собой заключенные в мембраны скопления различных гидролитических ферментов, расщепляющих множество внутри- и внеклеточно локализованных веществ и участвующих в процессах фагоцитоза и экзоцитоза. Важными органеллами нервных клеток являются митохондрии – основные структуры энергообразования. На внутренней мембране митохондрии содержатся содержатся все ферменты цикла лимонной кислоты – важнейшего звена аэробного пути расщепления глюкозы, который в десятки раз эффективней анаэробного пути. Ферменты цепи переноса электронов создают энергию, которая идет на образование АТФ и АДФ. Важной особенностью энергетического обмена нервных клеток является отсутствие собственных углеводов в форме гликогена. Нейроны позвоночных используют глюкозу, беспозвоночных – трегалозу. Высокий уровень энергозатрат нервных клеток и отсутствие собственных запасов углеводов делают их особо чувствительными к нарушению поступления крови, в которой содержится глюкоза и кислород, необходимые для аэробного энергообразования на митохондриях. В нервных клетках содержатся также микротрубочки, нейрофиламенты и микрофиламенты, различающиеся диаметром. Микротрубочки (диаметр 300 нм) идут от тела нервной клетки в аксон и дендриты и представляют собой внутриклеточную транспортную систему. Нейрофиламенты (диаметр 100 нм) встречаются только в нервных клетках, особенно в крупных аксонах, и тоже составляют часть ее транспортной системы. Микрофиламенты (50 нм) хорошо выражены в растущих отростках нервных клеток, они участвуют в некоторых видах межнейронных соединений.

Дендриты представляют собой древовидно-ветвящиеся отростки нейрона, его главное рецептивное поле, обеспечивающее сбор информации, которая поступает через синапсы от других нейронов или прямо из среды. На поверхности дендритов многих нейронов (пирамидные нейроны коры, клетки Пуркинье мозжечка и др.) имеются шипики. Шипиковый аппарат является составной частью системы канальцев дендрита: в дендритах содержатся микротрубочки, нейрофиламенты, сетчатый аппарат Гольджи и рибосомы. Функциональное созревание и начало активной деятельности нервных клеток совпадает с появлением шипиков; продолжительное прекращение поступления информации к нейрону ведет к рассасыванию шипиков. Наличие шипиков увеличивает воспринимающую поверхность дендритов.

Аксон представляет собой одиночный, обычно длинный выходной отросток нейрона, служащий для быстрого проведения возбуждения. В структуру аксона входят начальный сегмент, аксональное волокно и телодендрий, который в конце может ветвиться на большое количество (до1000) веточек. Аксоплазма содержит множество микротрубочек и нейрофиламентов, с помощью которых осуществляется аксональный транспорт химических веществ от тела к окончаниям (ортоградный) и от окончаний к телу нейрона (ретроградный). В зависимости от скорости проведения возбуждения различают несколько типов аксонов, отличающихся диаметром, наличием или отсутствием миелиновой оболочки и другими характеристиками (табл).

Характеристика разных типов аксонов

Тип аксона	Скорость, м/с	Диаметр, мкм	Наличие миелиновой оболочки
Аα	420 -70	22 -12	Есть
Аβ	70 - 40	12 - 8	Есть
Аγ	40 - 15	8 - 4	Есть
Аδ	15 - 6	4 - 1	Есть
В	18 - 3	3 - 1	Есть
С	3 – 0,5	2 – 0,5	Нет

Начальный сегмент аксона нейронов является тригерной зоной – местом первоначальной генерации возбуждения. Этот участок нервной клетки начинается от аксонного холмика и, воронкообразно сужаясь, переходит в начальный участок аксона, не покрытый миелиновой оболочкой.

Телодендрий представляет собой часть нервной клетки, которая осуществляет соединение с другими нейронами путем синаптических контактов. Это конечные разветвления – терминалии аксона, которые не покрыты миелиновой оболочкой и заканчиваются утолщениями различной формы, которые входят составной частью в синапс. В утолщениях локализовано значительное количество пузырьков (везикул), расположенных свободно или встроенных в пресинаптические мембраны.

Синаптический контакт состоит из трех компонентов: пресинаптической области (пресинапс), синаптической щели и постсинаптической области. Для пресинаптической зоны наиболее характерным является наличие синаптических пузырьков, кот. Содержат медиатор, фермент аденозинтрифосфатазу, обеспечивающую энергией процесс захвата и секреции медиатора, ионы кальция. Синаптические пузырьки формируются в районе аппарата Гольджи, а затем доставляются по аксону в синапс. В пресинапсе обнаружено также большое количество митохондрий (в крупных окончаниях несколько десятков). В пресинапсе много микротрубочек, богатая сеть цистерн эндоплазматического ретикулюма и микрофиламентов. Важной частью синаптического контакта является участок пресинаптической мембраны, где происходит выброс медиатора в синаптическую щель – это активная зона синапса, которая обеспечивает подход синаптических пузырьков к пресинаптической мембране и выделение их содержимого в синаптическую щель.

Синаптическая щель представляет собой узкую 20-50 А полоску межклеточного пространства, отделяющую нейроны друг от друга в зоне синапса.

Постсинаптическая щель может быть образована любой частью нейрона или его отростков. Поэтому можно различить семь основных типов синапсов: аксо-соматические, аксо-дендритические, аксо-аксональные, дендро-дендритические, дендро-соматические, сомато-соматические, сомато-дендритические.

Важнейшим компонентом постсинаптической мембраны являются специализированные мембранные белковые комплексы – рецепторы, обеспечивающие рецепцию медиатора и новообразование нового импульса.

Передача нервного импульса в области синапса осуществляется с помощью медиаторов (существуют, правда, еще и специфические синапсы, так называемые электротонические, которые приспособлены для прямой передачи электрического импульса с одного нейрона на другой). Каждый нейрон характеризуется специфическим медиатором, который он вырабатывает. Это качество называется эргичностью. Как правило, нейрон синтезирует только один медиатор (принцип Дэйла), хотя в последнее время показано, что во многих нервных клетках может сосуществовать два медиатора.

Начало учению о медиаторах как химических передатчиках нервного импульса положила в 1990 г. школа английского физиолога Дж. Лэнгли. Они изучали иннервацию внутренних органов и обнаружили, что электрическая стимуляция соответствующих нервов вызывает повышение частоты сокращений сердца, изменяет артериальное давление и т.д. Оказалось также, что эти эффекты можно имитировать инъекцией экстрактов надпочечника. Было доказано, что импульсы в этих нервах вызывает выделение вещества типа адреналина на поверхность эффекторных клеток. В 1921 г. О. Леви в Австрии обнаружил тормозящее деятельность сердца вещество ацетилхолин. В дальнейшем были обнаружены многочисленные другие химические передатчики нервного импульса с возбуждающим или тормозящим эффектом. Молекулы медиатора выделяются квантами: один квант – это содержимое одной везикулы. В качестве медиаторов синаптической передачи сегодня известно большое количество химических веществ, которые разделяют на 4 основные группы: