Общие принципы функционального объединения нейронов

В соответствии с выполняемой деятельностью разные классы нейронов объединены в функциональные системы: сенсорные, моторные или мотивационные. Даже такая простая деятельность, как, например, перелистывание страниц этого учебника, требует нескольких видов сенсорной информации: о расположении книги, о положении туловища, рук, пальцев, о контакте кончиков пальцев с бумагой.

Воспринимающие эту информацию сенсорные системы перерабатывают ее и доставляют к ассоциативным об-

Изменения внешней л Поведение, направленное

или внутренней на уравновешивание
среды со средой
Сенсорные системы осуществляют непрерывное слежение за состоянием внешней и внутренней среды и немедленно оповещают об изменениях параметров среды. Моторные системы обеспечивают действия, направленные на уравновешивание с меняющимся состоянием среды. Мотивационные системы получают сенсорную информацию, регистрируют прежний опыт приспособления к условиям среды и побуждают к действиям, направленным на удовлетворение возникающих потребностей.
ластям коры, создающим замысел последующих действий. В соответствии с этим замыслом моторные системы формируют программы движений. Само решение о начале, как и об окончании, действий принимает мотивационная система, влияющая на выходную моторную активность, а через гипоталамус — и на состояние вегетативных функций.
Таким образом, сенсорные системы предоставляют информацию об изменениях внешней или внутренней среды, моторные системы обеспечивают ответные действия, направленные на приспособление к изменившимся условиям. Мотивационные системы активируются при возникновении каких-либо потребностей и побуждают к совершению действий, направленных на удовлетворение потребности. Функциональные системы постоянно взаимодействуют друг с другом: сенсорные системы активируют мотивационные, а они побуждают моторные к созданию оптимальных для сложившейся ситуации двигательных программ (рис. 4.9). Общие принципы организации функциональных систем мозга
В любой из функциональных систем соблюдаются единые принципы ее организации. Существование нескольких уровней переработки информации
Передача сигналов от одних нейронов к другим происходит в переключательных ядрах, находящихся в спинном и головном мозге. Каждое переключательное ядро представляет собой, во-первых, распределительную
систему, образующую проекции на другие структуры мозга для передачи им информации. Во-вторых, в любом переключательном ядре происходит переработка информации, заключающаяся в изменениях параметров электрических сигналов. Переключательные ядра образованы разными типами нервных клеток, которые, в зависимости от выполняемой функции, подразделяются на два класса: проекционные и локальные интернейроны.
Проекционные нейроны имеют достаточно длинные аксоны, с помощью которых переносят электрические сигналы от одного переключательного ядра к другому, передавая информацию на следующий уровень ее переработки. Короткие аксоны возбуждающих и тормозных локальных интернейронов не выходят за пределы переключательного ядра. Функция локальных интернейронов состоит в облегчении передачи одних сигналов и подавлении других, что способствует передаче на следующий уровень наиболее значимых сигналов и подавлению «информационного шума». Топографическая упорядоченность проводящих путей
В переключательных ядрах и в проводящих путях сенсорных систем электрические сигналы распространяются упорядоченно от каждого рецептивного поля, например в сетчатке глаза или коже, к соответствующей именно ему проекционной области коры. Благодаря этому проекционная кора представляет собой своего рода нейронную карту, отражающую пространственные характеристики действующих стимулов. Нейроны моторной коры тоже расположены топографически упорядоченно и могут влиять только на иерархически подчиненные им нейроны головного и спинного мозга для передачи команд строго определенным мышцам. Наличие параллельных проводящих путей
В каждой функциональной системе мозга существуют независимые параллельные пути переработки специализированной информации. Например, в зрительной сенсорной системе независимо и параллельно перерабатывается информация о форме, цвете и движении каждого объекта, оказавшегося в зрительном поле. В двигательных системах существуют раздельные специализированные пути, по которым информация поступает от высших двигательных центров к мотонейронам спинного мозга: одни пути служат для контроля положения тела, рефлексов спинного мозга, другие — для управления точными движениями кистей рук и пальцев. Типы нейронных сетей
Специфические функциональные соединения нервных клеток друг с другом образуют нейронные сети, в зависимости от характера межнейронных соединений различают три типа сетей: иерархические, локальные и дивергентные.
Иерархический тип нейронной сети характерен для сенсорных и моторных систем, он включает несколько уровней переработки информации, представленных переключательными ядрами. В сенсорных системах информация от первичных сенсорных нейронов передается вторичным сенсорным нейронам, от них — нейронам третьего порядка и далее до проекционной зоны коры. В моторных системах существует нисходящая иерархия: созданные в двигательных областях коры команды поступают к переключательным ядрам ствола, оттуда — в спинной мозг, а из него — к мышцам. Передача сигналов в синапсах иерархических сетей происходит с помощью возбуждающих нейромедиаторов. На каждом уровне иерархической организации имеются локальные сети, образованные возбуждающими и тормозными интернейронами. Функция нейронов локальной сети состоит в сужении или расширении передаваемого потока информации и ее контрастировании путем усиления информационно значимых сигналов и подавления шума.
Дивергентные сети образованы небольшими компактными группами нейронов, тела которых находятся в нескольких ядрах ствола, а многочисленные ветви их длинных аксонов распространяются диффузно ко многим структурам мозга, включая кору. Области проекции таких нейронов предназначены для выполнения разных функций, поэтому дивергентные сети принято связывать с неспецифической деятельностью мозга. Наиболее изученные дивергентные сети в головном мозге образованы норадренерги- ческими, серотонинергическими, дофаминергическими и холинергическими нейронами моста, продолговатого и среднего мозга. Действие медиаторов дивергентных систем модулирует передачу сигналов, т. е. облегчает или затрудняет ее, что изменяет характер интегративной деятельности мозга (чередование сна и бодрствования, формирование внимания, возникновение мотиваций и эмоций). Нейрохимические классы нейронов
Разные популяции нейронов синтезируют различные нейромедиаторы: синтез конкретного медиатора обусловлен имеющимся в клетке набором ферментов, который, в свою очередь, определяется экспрессией тех или иных генов. Многие нейроны используют комбинацию из одного низкомолекулярного и одного или нескольких пептидных нейромедиаторов, способных усилить или ослабить действие низкомолекулярного медиатора. В первом случае они действуют на общую постсинаптическую мишень как си- нергисты (например, ацетилхолин и вазоинтестинальный пептид), во втором как — антагонисты (глутамат и дайнорфин в гиппокампе, где глутамат возбуждает, а опиоидный пептид дайнорфин уменьшает активность постсинаптической клетки).
Нейроны, синтезирующие определенный медиатор, образуют популяции, распределение которых в разных регионах мозга строго упорядочено. Эта упорядоченность позволяет выделить глутаматергическую, холинергическую, дофаминергическую, ГАМКергическую и т. п. системы нейронов. Глутаматергическая система
Глутамат является медиатором большинства сенсорных нейронов, пирамидных клеток коры, многих нейронов гиппокампа, мозжечка, ствола и спинного мозга. Это самый распространенный в головном мозге возбуждающий медиатор, для которого существуют ионотропные и метаботропные рецепторы. Ионотропные рецепторы подразделяют в зависимости от чувствительности к NMDA (N- метил- D-аспартату), АМРА (аминометилпропио- нату) и каиновой кислоте (рис. 4.10). Метаботропные глутаматные рецепторы после присоединения к ним медиатора изменяют чувствительность к глутамату у ионотропных рецепторов, расположенных на общей постсинаптической мембране.
Самые быстрые возбуждающие процессы в глутаматергических синапсах происходят в результате активации АМРА-рецепторов. Они содержат

Рис. 4.10. Схема постсинаптических рецепторов глутаматергической системы Ионотропные АМРА-рецепторы: присоединение глутамата (Глу) приводит к открытию канала для ионов натрия; рецепторы чувствительны к бензодиазепинам (2,3-БДЗ).
Б. Ионотропные NMDA-рецепторы представляют собой белковую молекулу, содержащую канал для ионов кальция, который при значении мембранного потенциала покоя блокирован ионами магния. Для открывания канала с последующим током через него ионов кальция необходимо присоединение глутамата к рецептору и деполяризация мембраны, после которой ионы магния освобождают канал. Рецепторы чувствительны к концентрации глицина (Гли) в окружающей среде. Ионотропные рецепторы для глутамата, одновременно чувствительные к каиновой кислоте (КА); содержат канал для ионов натрия и калия.
Г. Метаботропные рецепторы для глутамата: после присоединения нейромедиатора происходит активация вторичных посредников. Рецепторы чувствительны к квискулату (КВИС).
катионные каналы для ионов калия и натрия и используются для получения сигналов от афферентных нейронов. Рецепторы NMDA-типа имеют катионные каналы, пригодные для тока не только ионов калия и натрия, но и кальция, однако ток ионов возможен только при условии предварительной деполяризации мембраны, поскольку при значении мембранного потенциала покоя каналы блокированы ионами магния. При достаточно длительной деполяризации постсинаптической мембраны, обусловленной активацией нечувствительных к NMDA рецепторов, ионы магния уступают вход в канал ионам кальция, которые поступают в постсинаптический нейрон.
При низкой активности пресинаптического нейрона и соответственно малом выделении глутамата постсинаптический потенциал возникает преимущественно за счет активации нечувствительных к NMDA ионотропных рецепторов, например АМРА. Если же ритмическая активность пресинаптического нейрона будет продолжаться, то произойдет ток ионов кальция через каналы NMDA рецепторов. Повышение концентрации ионов кальция в постсинаптическом нейроне вызовет активацию нескольких систем вторичных посредников: протеинкиназы С, кальций-кальмодулин-зависи- мой протеинкиназы и тирозинкиназы. Активация вторичных посредников приведет к длительному возбуждению постсинаптического нейрона, сохраняющемуся часами или сутками (долговременная потенциация).
Вторичные посредники обеспечивают открытое состояние каналов NMDA рецепторов, и, кроме того, в ходе происходящих в постсинаптическом нейроне процессов в нем образуются и выделяются оксиды азота и углерода. Эти низкомолекулярные вещества диффундируют к пресинапти-
вескому нейрону и вызывают в нем активацию посредников, способствующих длительному выделению нейромедиатора. Длительная, а тем более повторяющаяся долговременная потенциация в одних и тех же синапсах приводит к экспрессии генов и синтезу белков, необходимых для структурной перестройки синапсов. Перестройка заключается в увеличении количества дендритных шипиков постсинаптического нейрона и вступающих с ними в контакт терминальных окончаний пресинаптического нейрона. Эти изменения происходят в синапсах, которые активируются при часто повторяющемся действии одних и тех же внешних раздражителей, а также при совпадении действующих стимулов друг с другом во времени. Возникшие в синапсах преобразования являются материальной основой энграмм (следов) долговременной памяти. Холинергическая система
Ацетилхолин в качестве нейромедиатора используется в ядрах черепно-мозговых нервов, мотонейронах спинного мозга и нейронах вегетативной нервной системы. В головном мозге холинергические нейроны представлены компактными популяциями в базальных ядрах, перегородке и ядрах диагонального пучка Брока. Их аксоны образуют проекции к структурам переднего мозга, гиппокампу и коре, на которые ацетилхолин действует через М-холинорецепторы. Ацетилхолин используется в качестве нейромодулятора, повышающего эффективность переработки сенсорной информации и ассоциативных процессов в коре. Большое число холинергических нейронов имеется в полосатом теле, где они выполняют функцию локальных интернейронов.
Помимо переднего мозга холинергические нейроны имеются в ростральном отделе ствола: они связывают средний мозг с таламусом и корой больших полушарий. Активация этих нейронов у спящих ведет к пробуждению и одновременно обусловливает изменения ритма электроэнцефалограммы, который становится характерным для состояния бодрствования.

В коре преобладают холинорецепторы мускаринового типа, а в некоторых подкорковых структурах (голубое пятно, супраоптическое ядро гипоталамуса, отдельные ядра таламуса) существуют Н-холинорецепторы, с участием которых осуществляются быстрые синаптические процессы. Таким образом, ацетилхолин в головном мозге может действовать через мускаринчув- ствительные рецепторы в качестве нейромодулятора и выполняет функцию классического нейромедиатора при действии на никотинчувствительные рецепторы. Системы нейронов, использующих биогенные амины
К биогенным аминам относят катехоламины (дофамин, норадреналин, адреналин) и серотонин.
Синтезирующие дофамин нейроны находятся, в основном, в среднем и промежуточном мозге, образуя нигростриатную, мезолимбическую (мезокор- тикальную) и гипоталамо-гипофизарную дофаминэргические системы. Ниг- ростриатная система представлена дофаминергическими нейронами компактной части черной субстанции среднего мозга, их аксоны достигают полосатого тела; они необходимы для осуществления произвольных движений человека. Мезолимбическую (мезокортикальную) систему представляют локализованные вне черной субстанции нейроны среднего мозга, аксоны которых оканчиваются в лимбических структурах мозга (миндалины, перего-

На постсинаптической мембране находятся рецепторы Д, и Д5, связанные с G-белками, которые используются для активации или инактивации (+ или —) вторичных посредников.
На пресинаптической мембране расположены рецепторы Д2 и Д3, используемые в качестве ауторецепторов для регуляции количества медиатора, освобождающегося из пресинаптического окончания.
родка, обонятельный бугорок), а также в лобных долях, поясных извилинах и энторинальной области коры. Эта система участвует в формировании мотиваций и эмоций, а ее чрезмерная активность рассматривается как один из главных механизмов нарушения деятельности мозга при шизофрении. До- фаминергические нейроны промежуточного мозга проецируют свои аксоны на ядра гипоталамуса, влияя на синтез некоторых либеринов.
Метаботропные рецепторы для дофамина образуют два рецепторных семейства: к первому относят рецепторы подтипов Д, и Д5, а ко второму — Д2, Дз, и Д4 (рис. 4.11). Рецепторы Д, и Д5 связаны с Gs-белком, активирующим цАМФ-зависимое фосфорилирование протеинкиназ А и С, они сосредоточены преимущественно в полосатом теле, прилежащем ядре, обонятельном бугорке, также в лобной и височной областях коры, гиппокампе и некоторых ядрах таламуса. Рецепторы второго семейства связаны с Gj-белком, их характерная особенность состоит в угнетении активности аденилатциклазы вслед за присоединением медиатора. Высокая плотность рецепторов Д2 и Д3 характерна для полосатого тела, черной субстанции, лимбических структур, вентральной покрышки и гипофиза, где они используются в качестве ауторецепторов, т. е. участвуют в пресинаптической регуляции высвобождения нейромедиатора. Действие многих психотропных препаратов (нейролептиков, психостимуляторов, антидепрессантов) основано на модуляции дофаминергических синапсов.
Самое большое скопление норадренергических нейронов представлено в голубых пятнах (locus coeruleus). Образующие многочисленные, широко ветвящиеся коллатерали аксоны этих нейронов оканчиваются в спинном мозге и стволе, мозжечке, таламусе, миндалинах, гиппокампе и образуют диффузную дивергентную проекцию к коре больших полушарий. Норадре- нергические нейроны голубого пятна совместно с дофаминергическими

нейронами среднего мозга своими аксонами образуют медиальный пучок переднего мозга, с возбуждением которого связано возникновение эмоций. Норадренергические нейроны голубого пятна активируются при стрессе, причем их модулирующее действие направлено не на стимуляцию, а на уменьшение активности иннервируемых ими областей мозга.
Серотонин (5-гидрокситриптамин) используется в качестве медиатора нейронами ядер срединного шва продолговатого мозга, а также отдельными группами нейронов среднего мозга и гипоталамуса. Дивергентные проекции серотонинергических нейронов достигают гипоталамуса, таламуса, гиппокампа, миндалин, полосатого тела и коры больших полушарий. Серо- тонинергические нейроны регулируют восходящую активность ретикулярной формации, связанную с управлением цикла сон—бодрствование, их влияние на переключательные ядра таламуса связано с распределением внимания и фильтрацией сенсорных сигналов. Проекция серотонинергических нейронов на структуры лимбической системы, полосатое тело и лобные области коры определяет эмоциональное состояние человека: сниженное содержание серотонина ведет к развитию депрессии, страха и проявлению немотивированной агрессивности, в особенности если сниженный уровень серотонина сочетается с повышенной активностью катехоламинэргических нейронов. При низкой активности серотонинергической системы увеличивается риск возникновения алкоголизма. Коррекция угнетенного психического состояния с помощью некоторых антидепрессантов основана на том, что они повышают уровень серотонина в синаптической щели путем блокады его обратного захвата пресинаптическими окончаниями.
Количество серотонинергических нейронов в мозге мало, в то же время серотонинергическая система отличается разнообразием рецепторов, чувствительных к серотонину: в настоящее время в ЦНС известно 16 типов таких рецепторов, различающихся своим строением и свойствами. Серотонин препятствует проявлениям агрессивного поведения, оказывая тормоз- но-модулирующее действие на рецепторы типа 1А и 1В нейронов лобной коры, полосатого тела и лимбических структур. Нисходящая проекция серотонинергических нейронов ядер шва на интернейроны задних рогов спинного мозга служит для торможения передачи сигналов от болевых рецепторов и является частью антиноцицептивной системы, понижающей порог болевого восприятия.
Серотонинергические нейроны участвуют в регуляции вегетативных и эндокринных процессов посредством модуляции активности соответствующих центров гипоталамуса. Они регулируют нейронные переключения в холинергических и норадренергических структурах ствола мозга, где действие серотонина может быть опосредовано как метаботропными, так и ионотропными рецепторами, управляющими постсинаптическими мембранными каналами для ионов калия (постсинаптическое торможение). Действие серотонина не обязательно является тормозным и при активации некоторых разновидностей серотонинергических рецепторов происходит возбуждение постсинаптических структур: подобное происходит, например, в гиппокампе и способствует регистрации новой информации и извлечению следов памяти. ГАМКергическая система
ГАМК (гамма-аминомасляная кислота) является важнейшим и самым распространенным тормозным медиатором нейронов коры, базальных ганглиев, мозжечка, гиппокампа, некоторых интернейронов спинного мозга. Су-

Барбитур

ществует два типа ГАМКергических рецепторов: ионотропные ГАМКа (открывают каналы для ионов хлора) и метаботропные ГАМКВ Метаботропные ГАМКВ рецепторы ассоциированы с G-белком, после присоединения медиатора они активируют систему вторичных посредников, которые открывают каналы для ионов калия. Эти рецепторы находятся на пресинап- тических окончаниях неГАМКергических нейронов и служат для регуляции количества выделяющихся из таких окончаний возбуждающих нейромедиаторов, например глутамата или катехоламинов.
У постсинаптических рецепторов ГАМК имеются отдельные центры связывания (рис. 4.12) ряда фармакологических веществ (бензодиазепинов и барбитуратов), являющихся агонистами ГАМК и усиливающих ее действие. Такие вещества тормозят процесс возбуждения, сопровождающегося реакцией страха и повышением тонуса мышц, они обладают снотворным и успокаивающим действием. В окончаниях многих ГАМКергических нейронов помимо основного медиатора происходит одновременное выделение нейропептидов, обладающих нейромодулирующим действием. Некоторые эндогенные белки и пептиды (кальретинин, сериновая протеаза-нексин), модифицируя чувствительность тормозных ГАМК-рецепторов, способствуют улучшению процессов научения и памяти. Пептидергические нейроны
Около 50 пептидов синтезируются в различных нервных клетках и затем используются в качестве нейромедиаторов. Они образуются только в клеточном теле в ходе ферментативного преобразования крупных молекул белков-предшественников в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи, а затем в секреторных пузырьках доставляются в окончание аксона быстрым аксонным транспортом. Разные пептиды служат в качестве возбуждающих или тормозных медиаторов в соответствующих синапсах,

они также могут использоваться в качестве нейромодуляторов, усиливающих или ослабляющих действие низкомолекулярного медиатора. Некоторые нейроны способны одновременно синтезировать низкомолекулярный медиатор и пептидный нейромодулятор для него. Нейропептиды могут секретироваться в кровяное русло, и в таких случаях рассматриваются в качестве нейрогормонов: классическим примером такой ситуации можно, например, считать поступление в кровоток вазопрессина и окситоцина, синтезируемых нейронами паравентрикулярных и супраоптических ядер гипоталамуса.
По одинаковой последовательности аминокислот в достаточно длинных участках молекул нейроактивных пептидов они разделены на несколько семейств, среди которых наиболее изучены опиатные пептиды. Они состоят из разного количества аминокислот, от 5 до 31, но обязательно включают участок с последовательностью аминокислот: Тир-Гли-Гли-Фен. К семейству опиатных пептидов принадлежат лейцин-энкефалин, метионин-эн- кефалин, альфа-эндорфин, гамма-эндорфин, бета-эндорфин, дайнорфин, аль- фа-неоэндорфин. Указанные вещества взаимодействуют с опиатными рецепторами, которые представлены не менее чем пятью разновидностями, различающимися своими функциональными свойствами. Опиатные пептиды модулируют переключения в синапсах, использующих в качестве медиаторов дофамин, ГАМК, глутамат и ацетилхолин. Опиатные рецепторы активируют систему вторичных посредников цАМФ-аденилатциклазы, эти рецепторы кроме эндогенных пептидов могут связывать вводимые в организм для подавления боли производные морфина, а также налоксон — искусственно синтезированный антагонист морфина, применяемый для борьбы с наркозависимостью.
Воздействие опиатных пептидов на нейронные переключения в гипоталамусе, гипофизе и лимбических структурах регулирует характер мотиваций и эмоций, пищевое и сексуальное поведение, ответные реакции организма на действие стрессоров. При повышенном образовании энкефалина в полосатом теле и прилегающем ядре у человека возникает эйфория. Опиаты участвуют в регуляции локомоторной активности и осуществлении стереотипных поведенческих реакций. При участии опиоидных пептидов изменяется порог болевой чувствительности, они существенно притупляют ощущение боли, действуя на нейронные переключения в спинном мозге, стволе, лимбических структурах, таламусе и соматосенсорной коре. Опио- идные пептиды препятствуют выделению ГАМК из интернейронов гиппокампа, что облегчает возникновение долговременной потенциации в этом регионе и последующее образование следов долговременной памяти об индивидуальном поведенческом опыте.
Опиатные пептиды могут секретироваться в цереброспинальную жидкость, например, их концентрация в ликворе повышается при обезболивании с помощью акупунктуры и при эффекте плацебо (положительный клинический эффект от приема полученного под видом лекарства, но не содержащего активного начала вещества). Образование бета-эндорфина возрастает вследствие занятий марафонским бегом или аналогичными видами интенсивной физической деятельности, оно повышается во время беременности и достигает максимума за 3—4 нед перед родами, что необходимо не только для уменьшения болевой чувствительности, но и для формирования так называемого материнского поведения.
Остальные семейства нейроактивных пептидов представляют тахикини- ны (вещество Р, используемое в качестве медиатора при проведении болевой чувствительности, а также бомбезин, физалемин, кассинин, упероле-

ин, эледоизин, вещество К), пептиды нейрогипофиза (вазопрессин, оксито- цин, нейрофизин), секретины (секретин, глюкагон, вазоактивный интестинальный пептид, соматолиберин), инсулины (инсулин, инсулиноподобные ростковые факторы 1 и 2), семейство панкреатического полипептида (нейропептид РР, нейропептид Y, пептид YY, участвующие в формировании пищевого поведения, смене биологических ритмов и возникновении эмоций), соматостатины (соматостатин, полипептид поджелудочной железы) и гастрины (гастрин, холецистокинин).

<< | >>

↑

Источник: Ткаченко Б.И. Нормальная физиология человека. 2005

Еще по теме Общие принципы функционального объединения нейронов:

- Кардиология - Физиология человека - Философия здоровья -