MedBookAide - путеводитель в мире медицинской литературы
Разделы сайта
Поиск
Контакты
Консультации

Жуков В. В., Пономарева Е. В. - Физиология нервной системы

1 2 3 4 5 6
СодержаниеДальше >>>

В.В.Жуков, Е.В.Пономарева. Физиология нервной системы

Калининград 1999 УДК 612.8 (072) В.В.Жуков, Е.В.Пономарева. Физиология нервной системы: Учебное пособие / Калинингр. ун-т. - Калининград, 1999. Учебное пособие содержит сведения по разделам, традиционно относящимся к предмету физиологии нервной системы. Описываются механизмы электрической возбудимости нервных клеток и процессы, лежащие в основе межнейрональной коммуникации, наиболее общие закономерности интегрирующей деятельности нервной системы, а также физиология спинного и отделов головного мозга. Рассмотрено участие мозговых структур в реализации некоторых функциональных состояний организма.

Предназначено для студентов и аспирантов: биологов, психологов и медиков.

Печатается по решению редакционно-издательского Совета Калининградского государственного университета.

Рецензент - профессор кафедры общей физиологии Санкт-Петербургского государственного университета д.б.н., В.П.Лапицкий.

Введение

Физиология нервной системы - широкий диапазон знаний, смыкающийся с молекулярной биологией и биофизикой с одной стороны и с психофизиологией, физиологией высшей нервной деятельности и психологией - с другой. Задача формирования представлений о механизмах деятельности мозга направляет усилия исследователей в первом случае на изучение молекулярной природы процессов, протекающих в нервных клетках, и поиск клеточных моделей феноменов, наблюдаемых на организменном уровне. Исследования второго направления концентрируются на изучении функций структур мозга и их взаимодействий при реализации основных функциональных состояний и типов поведения целого организма. В соответствии с этим и разделен материал предлагаемого вниманию учебного пособия. Разделы 1-4 содержат сведения о клеточных механизмах нервной ткани. Согласно господствующей доктрине основной элемент физиологии нейрона дается как описание электрических процессов, протекающих на его мембране. Однако при рассмотрении передачи в химических синапсах читатель найдет связи между электрическими явлениями и биохимическими процессами в нейроне. Поиск и расшифровка именно этих взаимодействий составляет одно из наиболее "горячих" направлений нейробиологии и в перспективе даст возможность увязать быстрые электрические мембранные процессы с долговременными изменениями в нейронных сетях, обеспечивающими одно из важнейших свойств нервной ткани - ее пластичность. Как правило, работу мозга пытаются объяснить в рамках представлений об активности нейронов. В тоже время можно считать, что истинное положение глиальных клеток, превышающих числом нейроны в головном мозге млекопитающих едва ли не в десять раз, понято далеко еще не полностью. Необходимым подчеркнуть огромную роль исследования клеточных процессов и их механизмов на модельных объектах нейробиологии (в частности, из мира беспозвоночных животных, как например, ставшие хрестоматийными гигантский аксон кальмара и центральные нейроны брюхоногих моллюсков). В эту часть пособия авторы постарались включить материал, еще не вошедший в отечественные и переводные руководства по нейробиологии, число которых, к сожалению, не соответствует важной роли этой дисциплины в современной системе естественных наук.

В разделе, посвященном описанию физиологии отделов мозга, затронут ряд явлений, которые традиционно являются предметом физиологии высшей нервной деятельности высших млекопитающих животных и человека (память, сон, эмоции). Их краткое рассмотрение дано в целях более полного представления функциональной роли рассматриваемых мозговых структур. Материал этой части пособия базируется на анатомическом описании нервной системы, основные сведения о котором студенты смогут найти в ранее изданном авторами пособии "Анатомия нервной системы" (Калининград, 1998).

Размеры пособия определили конспективный, иногда схематичный язык изложения. Подписи к некоторым приведенным иллюстрациям содержат информацию, дополняющую основной текст. Авторы полагают, что, несмотря на сравнительно небольшой объем, настоящее пособие окажется полезным студентам и аспирантам, изучающим как вопросы физиологии нервной системы, так и более широкий круг дисциплин нейробиологического направления.

1. Основные методы исследования клеточной физиологии цнс.

Методы регистрации электрических сигналов нервных клеток включают использование внеклеточных и внутриклеточных электродов. Внеклеточные электроды - металлические иглы, стеклянные капилляры и электроды-присоски для регистрации токов одиночных ионных каналов (метод «пэтч-кламп»). Внутриклеточные электроды - стеклянные микропипетки, заполненные раствором электролита (главным образом соли калия). Для регистрации токов возбудимой мембраны применяют метод фиксации на ней напряжения (рис. 1). В любой схеме опыта электрод через усилитель соединяется с осциллографом и самописцем для регистрации изучаемых процессов. Дополнительно исследуемый сигнал записывают в память компьютера для последующей обработки. Кроме регистрации стеклянные микроэлектроды применяют для вне- и внутриклеточного подведения (в том числе и ионофоретическим путем) различных веществ. Через внутриклеточный микроэлектрод клетка может быть заполнена красителем, что позволяет сопоставить электрофизиологические и морфологические характеристики нейрона.

Рис. 1. Регистрация электрических токов мембраны нейронов методом фиксации напряжения (А) и токов одиночных ионных каналов с помощью электрода-присоски («пэтч-кламп» метод) (Б) [3]:

А. Фиксация напряжения двумя внутриклеточными электродами. Дифференциальный усилитель (4) производит сравнение МП (Em) с заданным потенциалом фиксации (5) и управляет внутриклеточно инъецируемым током (Im) по механизму отрицательной обратной связи. Измеряемый ток компенсации разности сравниваемых потенциалов эквивалентен трансмембранному ионному току, вызванному смещением МП. Технически метод может быть осуществлен также с помощью одного микроэлектрода. Б. Выходное напряжение (6) усилителя (4) удерживает потенциал электрода-присоски (7) на нулевом относительно электрода сравнения (8) значении. Это напряжение равно создаваемой током ионных каналов разности потенциалов на сопротивлении измеряющего электрода (9). Может быть также установлено отличное от нуля (так же как на рис. А) значение напряжения фиксации на электроде сравнения (8).

1 - внеклеточное пространство, 2 - клетка, 3 - измеритель тока, 4 - дифференциальный усилитель, 5 - потенциал фиксации.

Многие исследования физиологии нервных клеток были выполнены на модельных объектах, в частности беспозвоночных (моллюски, насекомые, ракообразные). Их нервная система обладает несомненными привлекательными для экспериментатора преимуществами: состоит из небольшого сравнительно с позвоночными животными числа нейронов, тела которых расположены на поверхности нервных узлов; некоторые клетки имеют очень крупные размеры (200 - 500 мкм) и легко идентифицируемы. Все это значительно облегчает изучение физиологии отдельных нейронов с одной стороны и расшифровку клеточного механизма нервного контроля отдельных эффекторных реакций - с другой. Как оказывается, фундаментальные механизмы процессов генерации и распространения возбуждения оказываются сходными у животных различного уровня филогенетического развития. Так, например, первое полное описание ионных токов возбуждения было выполнено для мембраны гигантского аксона кальмара (А.Ходжкин и А.Хаксли), механизмы возбуждения соматической мембраны и интегративных свойств нервных клеток во многом исследованы на нейронах брюхоногих моллюсков (А.Арванитаки и Н.Халазонитис), механизмы синаптической передачи - на нервно-мышечном соединении лягушки (Б.Катц).

2. Электрофизиологические свойства нейрона.

Мембранный потенциал и ионные механизмы его формирования. Мембранный потенциал (МП) покоя нервной клетки - постоянная электрическая поляризация ее мембраны, т.е. существование разности потенциалов между цитоплазмой нейрона и внеклеточной средой, причем внутренность клетки оказывается электроотрицательной. В типичном случае его величина находится в пределах от -60 до - 70 мВ. Любое снижение этого потенциала (сдвиг по направлению к нулю) называется деполяризацией, а повышение - гиперполяризацией. МП поддерживается до тех пор, пока клетка жива, и исчезает вместе с ее гибелью. Причины возникновения МП - общие для всех клеток, в том числе и нервных: асимметрия ионных концентраций по обе стороны мембраны и неодинаковая ее проницаемость для этих ионов.

Концентрация ионов внутри и снаружи только что изолированного аксона кальмара [1]:

Ион 

Концентрация, мМ 

 

аксоплазма 

кровь 

морская вода 

Калий 

400 

20 

10 

Натрий 

50 

440 

460 

Хлор 

40-150 

560 

540 

Кальций 

0,0003  

10 

10 

Суммарное влияние различных ионов на МП можно обобщить уравнением постоянного поля Гольдмана, которое хорошо описывает наблюдаемые в экспериментах значения трансмембранной разности потенциалов:

где - МП (мВ), а - относительная мембранная проницаемость.

МП нейрона не совпадает с равновесными потенциалами ни одного из ионов, которые могут быть рассчитаны по уравнению Нернста (мВ):

Поэтому даже в состоянии покоя через мембрану идут потоки ионов, которые взаимно компенсируют друг друга и суммарный ток равен нулю. Вкладом ионов хлора можно пренебречь, т.к. равновесный потенциал этого иона очень близок к равновесному калиевому потенциалу. Наиболее удобной формой представления МП служит его электрическая модель, или эквивалентная схема (рис. 2). Равновесный потенциал для каждого иона изображен источником тока соответствующей полярности и электродвижущей силы (Е). С этим источником последовательно соединено сопротивление (R), отражающее проницаемость мембраны для ионов. При этом следует иметь в виду то, что в большей степени обычно интересует проводимость G (R= 1/ G), которая связана с проницаемостью (например, для калия): GK = PK [K+]o / [K+]i . Каналы для каждого иона расположены отдельно и не зависят друг от друга. Благодаря наличию липидов, мембрана обладает электрической емкостью (С) и служит как бы конденсатором. Липиды, будучи плохими проводниками электричества способны накапливать заряды по обе стороны мембраны. Регистрируемый МП соответствует алгебраической сумме потенциалов, создаваемых ионными «источниками тока».

Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема участка мембраны нейрона. Rm - сопротивление трансмембранному току утечки. H-H отмечает Na+ и K+ проводимости, соответствующие модели Ходжкина-Хаксли [6]:

Проводимости (G) создаются работой соответствующих каналов, свойства которых описаны в тексте и отмечены на рис. 6.

1 - цитоплазматическая и 2 - внеклеточная стороны нейрональной мембраны Мембранный потенциал и метаболизм. Неравновесное распределение ионов по обе стороны мембраны поддерживается на протяжении жизни клетки системами активного транспорта (метаболический насос), осуществляющими перенос ионов против движущих сил. Лучше всего изучен насос, переносящий через мембрану ионы калия и натрия против их концентрационных градиентов - Na+ , K+ -зависимая АТФ-аза. Этот фермент, катализирующий реакцию расщепления АТФ, одновременно выполняет функцию переносчика. Это крупный белок, связанный с мембраной и состоящий из двух полипептидных компонентов с молекулярной массой около 100 000 Д. Молекула этого белка, состоящая из двух субъединиц a и b, пронизывает мембрану насквозь, прикрепляясь к ее наружной стороне небольшими гликопротеиновыми цепями. С внутренней стороны мембраны происходит преимущественной связывание Na+ и АТФ, а с наружной - K+ и различных ингибиторов типа гликозидов (например, уабаина) (рис.3). Метаболический насос, осуществляющий перенос ионов Na+ и K+ в пропорции 1:1 поддерживает концентрационные градиенты ионов по обе стороны мембраны, но не вносит вклада в создание МП. При отклонении от такой пропорции (например, 2:1 или 3:2) насос участвует в формировании МП покоя - электрогенный насос.

Рис. 3. Схема работы механизма Na+ - K+ -насоса [6]:

А. Происходящее в присутствии ионов К+ внеклеточной среды аллостерическое конформационное изменение a-субъединицы насоса вызывает ее дефосфорилирование в месте связывания АТФ. При этой конформации возникает входящий ток ионов К+ против электрохимического градиента. Б. Внутриклеточное связывание ионов Na+ в специфическом месте молекулы вызывает конформационное изменение, способствующее фосфорилированию в месте связывания АТФ. Возникающий выходящий ток ионов Na+ также направлен против их электрохимического градиента. Приведенный на схеме процесс совершается при стехиометрическом соотношении 3 иона Na+ к 2 ионам К+. Насос выполняет свою функцию чередованием двух конформационных состояний.

a, b - субъединицы насоса; 1 - цитоплазма; 2 - внеклеточная среда; 3 - место связывания K+ и гликозида уабаина; 4 - места связывания АТФ; 5 - место связывания Na+.

Таким образом, МП создается в результате как пассивных, так и активных механизмов, причем степень их относительного участия может быть различной. Из этого следует, что МП не должен быть одинаков во всех типах нейронов и, кроме того, их реакции на те или иные воздействия также должны быть разными. В некоторых клетках или волокнах МП может быть достаточно высоким - порядка -80 мВ, в других - он значительно ниже - до -40 мВ (например в фоторецепторах сетчатки позвоночных его низкое значение обусловлено большим значением входящего тока ионов Na+). Метаболические насосы, ответственные за активный перенос, зависят от температуры, и поэтому у пойкилотермных животных их вклад в создание МП претерпевает, в соответствии с колебаниями температуры, суточные и сезонные изменения. Активность насосов зависит также от диаметра нервного волокна: чем это волокно тоньше, тем отношение поверхности к объему выше, и активность насосов, необходимая для поддержания распределения ионов, больше. Таким образом, МП в покое в значительной степени зависит от различных функций нервных клеток.

Потенциал действия. Изменение заряда мембраны, которое вызывается внешним током, носит название физического электротона, деполяризация соответствует катэлектротону, а гиперполяризация - анэлектротону (при этом изменения МП вытекают из закона Ома). Постепенное нарастание и спад заряда мембраны при включении и выключении тока отражает наличие ее емкости. Пассивные изменения МП имеют место только в том случае, когда пропускаемый через мембрану ток не очень велик. При усилении гиперполяризующего тока изменения на мембране продолжают подчиняться простым физическим законам - более сильный ток вызывает более сильную гиперполяризацию. При нарастании катэлектротона до критического уровня возникает электрическая реакция, которая не может быть дальше контролируема; она протекает самопроизвольно независимо от того, будет ли дальше пропускаться внешний поляризующий ток или нет. Заряд мембраны начинает резко падать, доходит до нуля, и мембрана перезаряжается. Затем, через короткий промежуток времени, измеряемый миллисекундами, этот процесс завершается, и заряд на мембране возвращается к исходному состоянию. Эти электрические явления соответствуют возникновению распространяющегося возбуждения (нервного импульса) и получили название потенциала действия (ПД). Единственным путем создания активной реакции этого типа является деполяризация мембраны до критического уровня, независимо от того имеет ли место искусственное пропускание электрического тока или естественное раздражение (синаптическое действие, действие адекватного раздражения на рецептор и т.д.).

Величина критической деполяризации может быть измерена по отношению как к нулевому уровню МП (абсолютный порог возбуждения клетки), так и к уровню потенциала покоя (относительный порог возбуждения клетки). Абсолютный порог возбуждения варьирует у различных нервных клеток в пределах (-40) - (-50) мВ. В относительных величинах для возбуждения нервной клетки нужно снизить ее МП покоя примерно на 10%, чтобы появился нервный импульс.

Свойства потенциала действия. Первое свойство: амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, т.е. от величины деполяризации мембраны (правило «все или ничего»). Причина заключается в природе клеточной реакции, которая сама себя поддерживает (носит регенеративный характер), а раздражение - только запускающий момент для этого внутриклеточного механизма. Искусственно можно варьировать амплитуду ПД в широких пределах, смещая исходный уровень МП. При этом абсолютное значение трансмембранной разности потенциалов, создающееся на вершине ПД, остается постоянным, но относительная его амплитуда изменится. При сильном снижении исходного уровня МП, наступят изменения и абсолютного уровня ПД: он станет меньше и, в конце концов, приобретет недоразвитую, абортивную, форму. Подавление механизма генерации ПД при сильном снижении исходного уровня МП - катодическая депрессия Вериго - отражает инактивацию этого механизма.

Второе свойство - рефрактерность - кратковременное снижение возбудимости нервной ткани. Вызвать второй ПД сразу же после возникновения первого нельзя, т.к. наступает период абсолютной рефрактерности. Способность переходить в активируемое состояние восстанавливается постепенно; через какой-то промежуток времени приложение деполяризующего тока уже вызовет ПД, но последний окажется частично инактивированным, и его амплитуда будет неполной. Период появления неполных ответов называется периодом относительной рефрактерности; он следует за периодом абсолютной рефрактерности (рис. 4 А). Чем медленнее развивается ПД, тем длительнее у него рефрактерный период. Наличие рефрактерного периода ограничивает возможности нервной клетки воспроизводить нервные импульсы, что приводит к существованию предельной частоты возбуждения, которую клетка может пропустить без изменений. Если частота раздражения превысит эту частоту, то последующие импульсы начнут попадать в рефрактерный период предыдущих, и наступит трансформация их частоты. Чем длительнее рефрактерность, тем меньше предельная частота. Лабильность - максимальное число импульсов, которое данная структура может передать в единицу времени без искажений (Н.Е.Введенский). У мотонейронов эта величина составляет 500,а у интернейронов - до 1000 импульсов в секунду.

Рис. 4. Инактивация Na+-тока и рефрактерность [3]:

А. ПД, вызванные сдвигом напряжения (пассивная деполяризация, пунктир). В течение 2 мс после первого ПД повторное возбуждение невозможно, т.к. порог бесконечно высок - период абсолютной рефрактерности. Чуть позже при пороге, превышающим нормальное значение (покой), могут возникать уменьшенные ПД - период относительной рефрактерности. Б. Состояния Na+- канала, переход между которыми друг в друга может происходить при деполяризации или реполяризации (стрелки).

Третье свойство: способность оставлять после себя длительные следовые изменения возбудимости, которые проявляются в изменении порога для последующих раздражений: следовая супернормальность и следовая субнормальность (следовые повышение и понижения возбудимости). Нервный импульс, длящийся несколько миллисекунд, оставляет после себя примерно в 100 раз более длительный след. В основе изменения возбудимости клетки при следовых процессах лежат определенные изменения электрической поляризации мембраны. После окончания ПД сначала имеет место следовая деполяризация, а затем следовая гиперполяризация.

Четвертое свойство: способность потенциала действия к самораспространению без затухания за счет тех электрических токов, которые он создает.

СодержаниеДальше >>>

medbookaide.ru