Нервные клетки контактируют друг с другом посредством. Общее представление о строении и функциях нервной системы

В недавно опубликованной книге «Облава на м-ра Альберта» (Driving Mr. Albert) рассказана подлинная история патологоанатома Томаса Харви, который в 1955 г. произвёл вскрытие Альберта Эйнштейна. Выполнив работу, Харви самым непочтительным образом забрал мозг учёного домой, где в течение 40 лет хранил его в пластиковой банке с дезинфицирующей жидкостью. Время от времени патологоанатом отдавал маленькие срезы мозговой ткани исследователям из разных частей света, пытавшимся выяснить причины гениальности Эйнштейна. Когда Харви перевалило за 80, он погрузил остатки мозга в багажник своего «Бьюика» и повёз возвращать их внучке гения.

Одной из тех, кто изучал срезы мозговой ткани Эйнштейна, была Мэриан Даймонд (Marian C. Diamond) - авторитетный гистолог из Калифорнийского университета в Беркли. Она установила, что числом и размерами нервных клеток (нейронов) головной мозг великого физика ничем не отличается от мозга обычного человека. Но в ассоциативной области коры, ответственной за высшие формы мыслительной деятельности, Даймонд обнаружила необычайно большое количество вспомогательных элементов нервной ткани - клеток нейроглии (глии). В мозге Эйнштейна их концентрация была намного больше, чем в голове среднестатистического Альберта.

Любопытное совпадение? Возможно. Но сегодня учёные получают всё больше данных, указывающих на то, что глиальные клетки играют гораздо более важную роль в деятельности мозга, чем предполагалось ранее. Долгие десятилетия всё внимание физиологов было сосредоточено на нейронах - главных, по их мнению, приёмопередатчиках мозга. Хотя глиальных клеток в 9 раз больше, чем нейронов, учёные отводили им скромную роль элементов, поддерживающих жизнедеятельность мозга (транспорт питательных веществ из кровеносных сосудов в нейроны, поддержание нормального баланса ионов в мозге, обезвреживание болезнетворных микробов, ускользнувших от преследования иммунной системы, и т. д.). А тем временем нейроны, поддерживаемые глией, были вольны общаться друг с другом через крошечные контактные точки (синапсы) и формировать сложнейшие сети соединений, благодаря которым мы думаем, вспоминаем прошлое или испытываем радость.

Неизвестно, как долго просуществовала бы ещё такая модель устройства мозга, если бы не недавно обнаруженные факты, свидетельствующие о том, что на протяжении всей жизни человека (от периода эмбрионального развития и до глубокой старости) нейроны и глия ведут весьма оживлённый диалог. Глия влияет на образование синапсов и помогает мозгу определять, какие нервные связи усиливаются или ослабевают с течением времени (эти изменения напрямую связаны с процессами общения и долгосрочной памяти). Последние исследования показали, что глиальные клетки общаются и друг с другом, влияя на деятельность мозга в целом. Нейробиологи с большой осторожностью наделяют глию новыми полномочиями. Однако можно вообразить, какое волнение они испытывают при мысли о том, что большая часть нашего мозга почти не изучена и, следовательно, может ещё раскрыть множество тайн.

Глиальные клетки общаются с нейронами

Мы представляем себе нервную систему в виде переплетения проводов, соединяющих нейроны. Каждый нейрон снабжён одним длинным отростком - аксоном, переносящим электрические сигналы от тела нейрона к расширенным участкам на его конце - аксонным терминалям. Каждая терминаль высвобождает в синаптическую щель молекулы химического посредника - нейротрансмиттера, которые достигают соответствующих рецепторов на коротких ветвящихся отростках (дендритах) соседнего нейрона. Пространства между нейронами и аксонами заполнены массой разнообразных клеток глии. К тому времени, как скончался Эйнштейн, нейробиологи уже подозревали, что глиальные клетки принимают участие в переработке информации, но доказательств у них не было. В конце концов они оставили глию в покое.

Причина того, что учёные не смогли обнаружить обмен сигналами между глиальными клетками, отчасти была связана с несовершенством методик. Но главными виновниками неудач были сами исследователи, ошибочно считавшие, что если клетки глии наделены способностью к общению, то обмениваться информацией они должны точно так же, как и нейроны, - с помощью электрических сигналов. Предполагалось, что клетки глии тоже должны генерировать электрические импульсы (потенциалы действия), стимулирующие выброс в синаптическую щель нейротрансмиттеров, которые, в свою очередь, вызывают импульсы в других клетках. Исследователи обнаружили, что глиальные клетки обладают несколькими типами ионных каналов, ответственных за генерирование электрических сигналов в аксонах, но они предположили, что эти каналы нужны глии просто для того, чтобы чувствовать уровень активности соседних нейронов. Было установлено, что мембрана глиальных клеток не обладает свойствами, необходимыми для проведения потенциалов действия. Нейробиологи, однако, упустили из виду одно обстоятельство, которое удалось обнаружить только благодаря современным методам исследования: глиальные клетки передают друг другу сообщения с помощью химических, а не электрических сигналов.

Важный вклад в понимание механизмов, позволяющих глии распознавать нейронную активность, был сделан в середине 1990-х гг., когда учёные обнаружили в мембранах глиальных клеток рецепторы, реагирующие на разнообразные химические вещества, включая и нейротрансмиттеры. Это открытие навело их на мысль, что клетки глии способны общаться друг с другом с помощью сигналов, которые не распознаются нервными клетками.

Экспериментально было установлено, что показателем активации глиальных клеток служит поглощение ими кальция. На основании этого наблюдения учёные разработали метод, позволяющий визуально определять, обладают ли терминальные шванновские клетки (один из типов глиальных клеток, окружающих синапсы в области контакта нервов с мышечными клетками) чувствительностью к нервным сигналам, приходящим к этим синапсам. Было показано, что шванновские клетки действительно реагируют на синаптические импульсы и что такая реакция сопровождается проникновением в них ионов кальция.

Но ограничивается ли участие глии в нервных процессах только «подслушиванием» нейронных переговоров? Ведь шванновские клетки окружают аксоны как в области синапсов, так и по ходу нервов в разных частях тела, а глиальные клетки другого типа (олигодендроциты) образуют оболочки вокруг аксонов в центральной нервной системе (т. е. в головном и спинном мозге). Сотрудники лаборатории Национального института здравоохранения решили выяснить, способна ли глия отслеживать и нервные сигналы, распространяющиеся по аксонам в нервных цепях. И если такое общение между глией и нейронами существует, какие механизмы лежат в его основе и, что ещё важнее, как влияют на работу глиальных клеток «подслушанные» ими нервные сообщения?

Чтобы ответить на эти вопросы, мы культивировали сенсорные нейроны (клетки дорсально-корешкового ганглия, ДКГ) мыши в специальных лабораторных чашках с электродами, с помощью которых можно было вызывать потенциалы действия в аксонах. В одни чашки с нейронами мы добавили шванновские клетки, в другие - олигодендроциты. Необходимо было одновременно контролировать активность и аксонов, и глии. За активностью нервных и глиальных клеток мы следили визуально, вводя в них краситель, который при связывании с ионами кальция должен был флуоресцировать. Когда по аксону пробегает нервный импульс, потенциалозависимые ионные каналы в нейронной мембране открываются, и ионы кальция проникают в клетку. Следовательно, распространение импульсов по аксонам должно сопровождаться зелёными вспышками внутри нейронов. По мере роста концентрации кальция в клетке флуоресценция должна становиться ярче. Её интенсивность можно измерить с помощью фотоэлектронного умножителя, а искусственно окрашенные изображения светящейся клетки воспроизвести в реальном времени на экране монитора. Если глиальные клетки реагируют на нервные сигналы и поглощают в это время ионы кальция из окружающей среды, они тоже должны засветиться - только немного позднее, чем нейроны.

Сидя в затенённой комнате и напряжённо вглядываясь в экран монитора, мы с биологом Бетом Стивенсом (Beth Stevens) собирались приступить к эксперименту, на подготовку которого у нас ушло несколько месяцев. На включение стимулятора нейроны ДКГ тут же отреагировали изменением цвета: по мере увеличения концентрации кальция в их аксонах они превратились из синих в зелёные, затем - в красные и, наконец, побелели. Поначалу ни в шванновских клетках, ни в олигодендроцитах никаких изменений не обнаружилось, но спустя 15 долгих секунд они, подобно ёлочным лампочкам, начали загораться. Каким-то неведомым образом клетки глии почувствовали, что по аксонам пробегают импульсы, и отреагировали на это событие увеличением концентрации кальция в цитоплазме.

Глиальные клетки общаются друг с другом

Нам удалось показать, что глия способна распознавать импульсную активность в аксонах, реагируя на неё поглощением кальция. В нейронах он активирует ферменты, ответственные за выработку нейротрансмиттеров. Вполне вероятно, что поступление кальция в глиальные клетки также вызывает активацию ферментов, связанных с развитием какой-то реакции. Но какой?

Исследование ещё одного типа глиальных клеток - астроцитов, транспортирующих питательные вещества из капилляров в нервные клетки и поддерживающих оптимальный уровень ионов, необходимый для генерирования нервных импульсов в окружающей нейроны среде (включая и удаление избытка нейротрансмиттеров и ионов, высвобождаемых нейронами во время импульсации), поможет ответить на этот вопрос. В 1990 г. Стивен Смит из Йельского университета показал, что если в культуру астроцитов добавить нейротрансмиттер глутамат, концентрация кальция в клетках резко возрастает. Клетки ведут себя так, словно только что произошёл выброс нейротрансмиттера из нейрона и они горячо обсуждают друг с другом вызвавшую его импульсацию нейронов.

Некоторые нейробиологи пытались выяснить, не явилось ли общение глиальных клеток следствием простого перемещения ионов кальция или связанных с ним сигнальных молекул из одного астроцита в соседний через соединяющие их открытые ворота. В 1996 г. Бен Кейтер (Ben Kater) из Университета штата Юта опроверг это предположение. С помощью острого микроэлектрода он разрезал слой астроцитов в культуре на две части, оставив между ними зазор, не содержавший клеток и разделявший популяцию астроцитов. Когда концентрация кальция в клетках по одну сторону разреза возрастала, то же происходило и по другую сторону. Таким образом выяснилось, что астроциты посылали друг другу сигналы через внеклеточную среду.

АТФ как химический посредник

Выявленные закономерности привели исследователей в замешательство. Коммуникация глиальных клеток, как и нейронов, контролируется токами кальция. Однако если изменения его уровня в нейронах вызывают электрические импульсы, то в глии - нет. Возникает вопрос: не было ли инициировано перемещение ионов кальция в глию каким-то другим электрическим феноменом? А если нет, то какова природа механизма?

Когда учёные экспериментировали с глией, в поле зрения им постоянно попадала знакомая всем молекула аденозинтрифосфата (АТФ). Будучи основным источником энергии в живых клетках, АТФ обладает многими признаками, благодаря которым прекрасно подходит на роль химического посредника между клетками. В окружающей среде он содержится в больших количествах, а во внеклеточном пространстве его мало. Благодаря небольшим размерам молекула способна к быстрой диффузии и легко разрушается ферментами. Более того, АТФ присутствует в аксонных терминалях, где обычно и хранятся молекулы нейротрансмиттеров, и может высвобождаться в синаптическую щель.

В 1999 г. Питер Гатри (Peter B. Guthrie) и его сотрудники из Университета штата Юта показали, что при возбуждении астроциты выбрасывают в окружающую среду АТФ. Затем он связывается рецепторами на соседних астроцитах, заставляя открываться ионные каналы и способствуя перемещению кальция внутрь клеток. В свою очередь, повышение уровня кальция в клетках заставляет их высвобождать во внеклеточную среду новые порции АТФ - так в популяции астроцитов инициируется цепная реакция, связанная с изменением внутриклеточного уровня кальция и опосредованная АТФ.

Как общаются глиальные клетки? В культуральную среду, содержавшую кальций, помещались астроциты (а) и сенсорные нейроны. После того как под влиянием электрической стимуляции нейроны принялись генерировать распространяющиеся по аксонам (зигзаги молний) (b) импульсы (потенциалы действия), глия начала флуоресцировать - признак того, что глиальные клетки отреагировали на это событие поглощением кальция. Спустя 10 и 12,5 секунд (с и d) по всей популяции астроцитов прокатились две огромные волны проникновения кальция внутрь клеток. О росте концентрации кальция в астроцитах свидетельствует изменение их цвета: вначале они были зелёными, затем стали синими и наконец красными.

В результате наблюдений родилась модель, позволившая объяснить способность околоаксонной глии распознавать нейронную активность, и передавать затем сообщения другим глиальным клеткам, окружающим синапс. Импульсация нейронов побуждает глиальные клетки, окружающие аксон, высвобождать АТФ, который вызывает поглощение кальция соседними глиальными клетками. Это стимулирует выброс новых порций АТФ, что активирует передачу сообщения по длинной цепочке глиальных клеток иногда на значительное расстояние от нейрона, инициировавшего всю последовательность данных событий. Но каким образом глиальным клеткам, участвовавшим в нашем эксперименте, удавалось распознавать импульсацию нейронов - ведь аксоны не образуют с глией синаптических контактов и в области синапсов не было никаких глиальных клеток? Участием нейротрансмиттеров феномен объяснить нельзя: из аксонов они не диффундируют. Быть может, его причиной был АТФ, способный каким-то образом просачиваться из аксонов?

Для проверки гипотезы мы решили провести электрическую стимуляцию чистых культур аксонов ДКГ и последующий химический анализ культуральной среды. Воспользовавшись ферментом, ответственным за свечение брюшка у жуков-светляков (эта реакция требует участия АТФ), мы наблюдали свечение среды во время распространения импульса по аксонам, что свидетельствовало о высвобождении из них АТФ. Затем мы добавили в культуру шванновские клетки, также начинавшие светиться после того, как по аксонам пробегали потенциалы действия. Но когда мы добавили в среду фермент апиразу, быстро разрушающую АТФ и не дающую ему достигнуть шванновских клеток, глия во время импульсации аксонов оставалась тёмной. Таким образом, содержание кальция в шванновских клетках не менялось, т. к. они не получали АТФ-сигнала.

АТФ, высвободившийся из аксонов, на самом деле стимулировал транспорт кальция внутрь шванновских клеток. С помощью биохимического анализа и цифровой микроскопии нам удалось показать, что в результате этого события сигнальные молекулы перемещаются от клеточной мембраны к ядру и включают здесь различные гены. Таким образом, мы обнаружили поразительный факт: генерируя импульсы, призванные обеспечить общение с другими нейронами, нервная клетка и её аксон могут влиять на считывание генов в глиальной клетке и изменять тем самым её поведение.

Аксоны определяют судьбу глиальных клеток

Какие функции глии могут контролировать гены, включённые АТФ? Приказывают ли они глиальным клеткам действовать таким образом, чтобы повлиять на окружающие их нейроны? Стивенс попытался ответить на вопрос, обратив внимание на процесс, способствующий образованию миелиновой изолирующей оболочки вокруг аксонов. Благодаря ей аксоны способны проводить нервные импульсы с огромной скоростью на значительные расстояния. Её образование позволяет малышу всё крепче удерживать голову в вертикальном положении, а разрушение вследствие некоторых болезней (например, рассеянного склероза) превращает человека в инвалида.

Мы решили выяснить, как незрелая шванновская клетка, расположенная на аксоне в периферической нервной системе плода или младенца, узнаёт, нуждается ли отросток в миелинизации и когда нужно приступить к его «пеленанию» миелином. Или, напротив, следует ли ей превратиться в клетку, которая не будет сооружать миелиновую оболочку? Вообще говоря, в миелине нуждаются только аксоны большого диаметра. Могут ли аксональные нервные импульсы или высвобождение АТФ влиять на выбор шванновской клетки? Мы обнаружили, что шванновские клетки в культуре пролиферировали медленнее в том случае, когда окружали импульсирующие, а не молчащие аксоны. Более того, они приостанавливали своё развитие и прекращали выработку миелина. Добавление АТФ вызывало такие же эффекты.

А Витторио Галло (Vittorio Gallo) из соседней лаборатории НИЗ, изучая олигодендроциты, образующие миелиновые оболочки вокруг аксонов в головном мозге, обнаружил совершенно иную картину. АТФ не угнетал пролиферацию клеток, но аденозин (вещество, в которое превращается молекула АТФ после отщепления от неё остатков фосфорной кислоты) стимулировал созревание клеток и выработку миелина.

Понимание механизмов миелинизации имеет важнейшее значение. Болезни, сопровождающиеся разрушением миелиновой оболочки, каждый год уносят тысячи человеческих жизней и вызывают паралич и слепоту. Неизвестно, какой фактор инициирует миелинизацию, но аденозин стал первым веществом «аксонального происхождения», у которого была выявлена способность стимулировать этот процесс. Тот факт, что аденозин высвобождается из аксонов в ответ на распространение импульсов, означает, что электрическая активность мозга действительно влияет на процесс миелинизации. Подобные открытия помогут учёным вести поиск средств для лечения болезней демиелинизации. Возможно, эффективными окажутся лекарства, напоминающие своей химической структурой аденозин. И не исключено, что добавление аденозина в культуру стволовых клеток превратит их в миелинизирующие глиальные клетки, которые можно будет использовать в качестве трансплантатов.

Вырываясь из путнейронных сетей

Ограничивается ли участие глии в регуляции нейронных функций образованием вокруг аксонов миелиновой оболочки? По-видимому, нет. Ришар Робитайль (Richard Robitaille) из Монреальского университета обнаружил, что величина электрического потенциала, возникающего в мышце лягушки под влиянием стимуляции синапса, увеличивалась или уменьшалась в зависимости от того, какие химические вещества он вводил в шванновские клетки, окружающие этот синапс. Когда Эрик Ньюман (Eric A. Newman) из Миннесотского университета прикасался к сетчатке крысы, посылаемые глией «кальциевые сигналы» изменяли частоту импульсации зрительных нейронов. А Майкен Недергард (Maiken Nedergaard) из Нью-Йоркского медицинского колледжа, изучавший срезы гиппокампа крысы (эта область мозга принимает участие в процессах памяти), наблюдал усиление электрической активности синапсов в то время, когда окружающие астроциты увеличивали поглощение кальция. Подобные изменения эффективности синапсов учёные рассматривают в качестве главного фактора пластичности нервной системы, т. е. её способности изменять реакции на основании прошлого опыта, и глия, таким образом, может играть важную роль в клеточных процессах обучения и памяти.

Бен Баррес из Стэнфордского университета обнаружил, что если выращивать нейроны из сетчатки крысы в лабораторной культуре, не содержавшей астроцитов, синапсов на нейронах образуется очень мало. Когда же учёный добавил в культуру астроциты или просто среду, в которой прежде находились астроциты, синапсы появились в большом количестве. Затем он обнаружил присутствие в среде двух химических веществ, высвобождаемых астроцитами для стимуляции образования синапсов, - жировой комплекс под названием ароЕ/холестерин и белок тромбоспондин.

Немного позднее Ле Тиан и Уэсли Томпсон из Техасского университета в Остине изучали мышей, которым вводились вещества, заставлявшие флуоресцировать шванновские клетки. Это позволило им воочию наблюдать за деятельностью глиальных клеток в области контактов нервов с мышечными волокнами. После того как учёные перерезали подходящий к мышце аксон, нервно-мышечный синапс исчезал, но на его «мышечной стороне» оставалась группа рецепторов нейротрансмиттера. Исследователям, конечно, было известно, что аксон вновь сможет прорасти к покинутым им рецепторам. Но как он найдёт к ним путь?

Следя за флуоресценцией, Томпсон увидел, что шванновские клетки, окружавшие интактные синапсы, почувствовали, что синапс-сосед оказался в беде. Тогда они дружно выпустили в его сторону отростки, дотянулись ими до повреждённого синапса и образовали своего рода мостик, по которому аксон мог послать к своему синапсу новую проекцию (см. фото). Эти данные указывают на то, что глия помогает нейронам определить место, где нужно образовывать синаптические соединения. Сегодня учёные пытаются использовать эту способность глии для лечения повреждений спинного мозга: они трансплантируют шванновские клетки в повреждённые участки спинного мозга лабораторных животных.

В связи с описанными выше наблюдениями остро встаёт одна проблема. Поглощение кальция распространяется по всей популяции астроцитов, подобно прокатывающимся по стадиону волнам взявшихся за руки болельщиков. Такая дружная реакция эффективна для управления работой всей группы клеток, но она слишком груба для передачи сложных сообщений. Принцип «все как один!» может оказаться полезным для координации общей активности мозга во время цикла сон-бодрствование, но чтобы входить во все тонкости переработки информации, глиальные клетки должны уметь «переговариваться» и со своими непосредственными соседями.

Стивен Смит предполагает, что нейроны и клетки глии способны вести друг с другом беседы и более «интимного свойства». Экспериментальные методы, которыми располагали в то время учёные, не позволяли им апплицировать нейротрансмиттеры в таких ничтожно малых дозах, которые могли бы воспроизвести истинные «переживания» астроцита, находящегося рядом с синапсом. Филипу Хейдону (Philip G. Haydon) из Пенсильванского университета удалось добиться этого только в 2003 г. с помощью современного лазерного метода аппликации нейротрансмиттеров. Учёный стимулировал в срезах гиппокампа выброс такого ничтожного количества глутамата, которое мог обнаружить только один-единственный астроцит. Хейдон наблюдал при этом, что астроцит посылает специфические кальциевые сигналы лишь небольшому числу окружающих его астроцитов. Исследователь предположил, что наряду с «кальциевыми волнами», оказывающими широкомасштабное воздействие, «между астроцитами существуют и близкодействующие связи». Иными словами, разрозненные цепочки астроцитов в головном мозге координируют свою активность в соответствии с активностью нейронных цепей.

Описанные выше открытия позволили Хейдону, автору этой статьи, сформулировать рабочую гипотезу, согласно которой обмен сигналами помогает астроцитам активировать нейроны, чьи аксоны оканчиваются на сравнительно большом от них расстоянии. А также утверждать, что эта активация способствует высвобождению нейротрансмиттеров из отдалённых синапсов. Это позволяет астроцитам регулировать готовность отдалённых синапсов к изменению своей силы (эффективности), что является клеточной основой процессов памяти и обучения.

Результаты исследований, представленные на ежегодном съезде Общества нейробиологии в ноябре 2003 г., подкрепляют эту гипотезу и даже свидетельствуют об участии глии в образовании новых синапсов. Следует упомянуть выполненную два года назад работу Бена Барреса (Ben A. Barres) и Фрэнка Фрайгера (Frank W. Pfrieger) из Стэнфордского университета, сообщивших, что выращенные в культуре нейроны крысы в присутствии астроцитов образуют большее количество синапсов. Впоследствии сотрудники из лаборатории Барреса обнаружили, что белок тромбоспондин, предположительно астроцитарного происхождения, выполняет функцию химического посредника и стимулирует образование синапсов. Чем большее количество этого белка учёные добавляли в культуру астроцитов, тем больше синапсов появлялось на нейронах. Возможно, тромбоспондин отвечает за связывание белков и других соединений, необходимых для образования синапсов во время роста молодых нервных сетей и, следовательно, может участвовать в модификации синапсов, когда эти сети подвергаются старению.

Будущие исследования расширят наши представления о влиянии глии на нейронную часть головного мозга. Возможно, учёным удастся доказать, что наша память (или её клеточный аналог - такой, как долговременная потенциация) зависит от функционирования синаптических астроцитов. Не исключено также, что будет установлено, каким образом сигналы, передаваемые по цепочкам астроцитов, оказывают влияние на отдалённые синапсы.

Сравнение головного мозга показывает, что чем более высокое положение занимают животные на «эволюционной лестнице», тем выше у них соотношение между числом глиальных клеток и нейронов. Хейдон предполагает, что увеличение связности астроцитов может повышать способности животных к обучению. Эта гипотеза проверяется сегодня экспериментально. Не исключено, что высокие концентрации глиальных клеток в мозге, а возможно, и наличие в нём более «действенной» глии, и превращает некоторых людей в гениев. Эйнштейн учил нас думать нетрадиционно. Его примеру последовали учёные, дерзнувшие «выпутаться» из нейронных сетей и решившие наконец выяснить, какое участие в переработке информации принимает нейроглия.

Об авторе:
Дуглас Филдз (R. Douglas Fields) - заведующий отделением развития и пластичности нервной системы Национального института охраны здоровья ребёнка и развития человека, а также адъюнкт-профессор Мэрилендского университета (руководитель Программы развития нейробиологии и когнитивных наук). После защиты докторской диссертации работал в Йельском и Стэнфордском университетах.

Деятельность клеток в организме многоклеточные животные координируется «химическими посредниками» и нервными клетками. В течение последние несколькие лет удалось в значительной мере выяснить природу возникновения и передачи нервного импульса.

Чем более высокое место занимает организм в царстве животных, тем важнее становится роль системы клеток, предназначенной для координации его деятельности. Природа создала две различные координирующие системы. Одна из них основана на выделении и распространении по организму «химических посыльных» - гормонов, вырабатываемых некоторыми специализированными клетками и способных регулировать деятельность клеток, находящихся в других частях тела. Вторая система, способная к гораздо более быстрому и к тому же избирательному действию, представляет собой специализированную систему нервных клеток, или нейронов, функция которых состоит в том, чтобы получать и передавать распоряжения при помощи электрических импульсов, распространяющихся по определенным путям. Обе эти координирующие системы возникли в процессе эволюции очень давно, причем вторая из них, а именно нервная система, претерпела особенно значительное эволюционное развитие, завершившееся созданием удивительного и загадочного органа - человеческого мозга.

Наши знания относительно работы миллионов клеток в нашем головном мозге находятся в самом зачаточном состоянии. Однако этих знаний в общем достаточно для того, чтобы выполнить поставленную здесь задачу - описать, а отчасти и объяснить, каким образом отдельные клетки (нейроны) генерируют и передают электрические импульсы, составляющие основной элемент того кода, по которому действует внутренняя система связи человеческого организма.

Большую часть нервных клеток составляют нейроны двух типов - чувствительные и двигательные. Чувствительные нейроны собирают и передают высшим центрам нервной системы импульсы, возникающие в специальных рецепторных областях, функция которых состоит в инспектировании внешней и внутренней среды организма. Двигательные нейроны передают импульсы от высших центров к «рабочим» клеткам (обычно мышечным клеткам), т. е. клеткам, от которых непосредственно зависит реакция организма на изменения в обеих этих средах. В простых рефлекторных реакциях передача сигналов от чувствительных нейронов к двигательным происходит автоматически и обеспечивается относительно простыми системами синапсов, которые довольно хорошо изучены.

В процессе эмбрионального развития из тела нервной клетки - будь то чувствительная или двигательная клетка - вырастает длинный отросток аксон, который каким-то неизвестным образом растет к предназначенной ему точке на периферии, с тем чтобы вступить в контакт с мышцей или кожей. У взрослого человека длина аксона может достигать 1-1,5 метра при толщине менее 0,025 миллиметра. Аксон образует своего рода миниатюрный телеграфный провод для передачи сообщений от периферии к телу нервной клетки, которая лежит в спинном или в головном мозге под защитой позвоночника или черепа. Изолированные периферические нервные волокна изучали, вероятно, более интенсивно, чем любую другую ткань, несмотря на то, что эти волокна представляют собой лишь фрагменты клеток, отсеченные как от своих клеточных ядер, так и от своих периферических окончаний. Тем не менее такие изолированные нервные волокна довольно долго сохраняют способность передавать нервные импульсы и могут обычно передать не один десяток тысяч импульсов, прежде чем перестанут действовать. Это наблюдение вместе с рядом других убеждает нас в том, что тело нервной клетки и заключенное в нем ядро, по-видимому, каким-то образом «заботятся» о своем отростке, управляют его ростом и, если понадобится, восстанавливают повреждения, хотя и не принимают непосредственного участия в передаче сигналов.

Долгие годы шли споры по вопросу о том, приложимо ли представление о клетке как основной структурной единице к нервной системе и ее функциональным связям. Некоторые исследователи полагали, что развивающаяся нервная клетка буквально врастает в цитоплазму всех тех клеток, с которыми она вступает в функциональное взаимодействие. Этот вопрос нельзя было решить окончательно до появления электронного микроскопа, обладающего высокой разрешающей способностью. Оказалось, что нервная клетка на большей части своей поверхности, включая и поверхность всех ее отростков, действительно плотно обернута другими клетками, однако цитоплазма этих клеток отделена от цитоплазмы нервной клетки ясно выраженными мембранами. Кроме того, между мембранами нервной клетки и окружающих ее других клеток имеется небольшой зазор, обычно толщиной 100-200 ангстремов.

Часть этих клеточных контактов представляет собой синапсы - точки, в которых происходит передача сигналов от одной клетки к следующему звену цепи. Однако синапсы встречаются только на теле нейрона или близ него, а также у периферических окончаний аксона. Большая часть покрывающих клеток, в частности клетки, облекающие аксон, вообще не относится к нервным клеткам. Их функция все еще остается загадкой. Некоторые из этих сопутствующих клеток называются шванновскими клетками, другие - глиальными клетками. Эти клетки, по-видимому, не играют никакой роли в самом процессе передачи импульса: возможно, что они участвуют в нем лишь косвенно, оказывая влияние на электрическое поле вокруг аксона. Весьма знаменательно, например, что на поверхности изолированных мышечных волокон (которые очень близки к нервным волокнам по своей способности ^передавать электрические импульсы) таких клеток-сателлитов очень немного.

Одна из функций сателлитов аксона заключается в образовании так называемой мякотной оболочки - сегментированного изолирующего футляра, покрывающего периферические нервные волокна позвоночных животных и улучшающего их проводящую способность. Благодаря электронно-микроскопическим исследованиям Б. Бен-Герен-Узман и Ф. Шмитта мы теперь знаем, что каждый сегмент мякотной оболочки образован шванновской клеткой, которая содержит ядро; цитоплазма шванновской клетки плотно закручивается в спираль вокруг аксона, образуя многослойный футляр. Отдельные сегменты оболочки разделены промежутками, так называемыми перехватами Ранвье, в которых происходит регенерация электрического сигнала.

Существуют и нервные волокна других типов, лишенные мякотной оболочки, но даже эти волокна покрыты одним слоем шванновских клеток. Возможно, именно потому, что аксон отходит так далеко от ядра нервной клетки, ему необходимо это тесное соприкосновение с имеющими ядро клетками-сателлитами. Мышечные волокна, в отличие от изолированных аксонов, представляют собой вполне самостоятельные клетки, в цитоплазме которых содержатся ядра; с наличием ядра и связана, возможно, их способность обходиться без клеток-сателлитов. Какова бы ни была функция этих сателлитов, они во всяком случае не могут в течение сколько-нибудь значительного времени поддерживать жизнь аксона после того, как его отсекли от тела клетки; спустя несколько дней такой отсеченный отросток неизменно разрушается и погибает. Каким образом ядро нервной клетки в течение всей жизни служит центром, восстанавливающим повреждения, и как именно оно распространяет свое влияние на самые отдаленные участки аксона, до сих пор остается тайной (ведь если бы, например, это влияние распространялось за счет обычной диффузии, то для покрытия такого расстояния понадобились бы годы).

Методы экспериментальной физиологии оказались гораздо более плодотворными в применении к исследованию процессов непосредственного проведения импульсов по нерву, чем к изучению не менее важных, но гораздо труднее поддающихся исследованию длительных процессов. Мы очень мало знаем относительно химического взаимодействия между нервом и его сателлитами или относительно сил, которые направляют растущий нерв по определенному пути и побуждают его к образованию синаптических связей с другими клетками. Ничего не известно нам также и о том, каким образом клетки накапливают информацию, т. е. в чем состоит механизм памяти. Поэтому всю остальную часть этой статьи мы посвятим почти исключительно нервным импульсам и способу их передачи через узкие синаптические щели, отделяющие одну нервную клетку от другой.

Большая часть наших сведений относительно нервной клетки получена при изучении гигантского аксона кальмара, достигающего в толщину почти миллиметра. К этому волокну очень легко прикладывать микроэлектроды или наблюдать за поступлением и выходом из него веществ, меченных радиоактивными изотопами. Оболочка волокна разделяет два водных раствора, которые обладают почти одинаковой электропроводностью и содержат примерно одинаковое число электрически заряженных частиц, или ионов. Однако химический состав этих двух растворов совершенно различен. Во внешнем растворе более 90% заряженных частиц составляют ионы натрия (заряженные положительно) и ионы хлора (заряженные отрицательно). В растворе, находящемся внутри клетки, совокупность этих ионов составляет менее 10% растворенных веществ; здесь основную часть положительно заряженных ионов образуют ионы калия, а отрицательные ионы представлены разнообразными органическими частицами (которые, несомненно, синтезируются в самой клетке), слишком крупными для того, чтобы диффундировать сквозь мембрану аксона. Поэтому концентрация ионов натрия снаружи примерно в 10 раз выше, чем внутри аксона; концентрация же ионов калия, напротив, внутри аксона в 30 раз выше, чем снаружи. Хотя проницаемость мембраны аксона для всех этих ионов невелика, тем не менее она неодинакова для разных ионов; ионы калия и хлора проходят сквозь эту мембрану гораздо легче, чем ионы натрия и крупные органические ионы. В результате возникает разность потенциалов, достигающая 60-90 милливольт, причем внутреннее содержимое клетки оказывается заряженным отрицательно по отношению к внешнему раствору.

Для поддержания этих различий в концентрации ионов нервная клетка располагает своего рода насосом, который выкачивает ионы натрия через мембрану наружу с такой же скоростью, с какой они проникают в клетку в направлении электрохимического градиента. Проницаемость поверхности покоящейся клетки для натрия обычно столь низка, что проникновение в клетку ионов натрия очень невелико; поэтому на совершение работы, связанной с процессом выкачивания, затрачивается лишь небольшая часть той энергии, которая непрерывно освобождается в процессе метаболизма клетки. Мы не знаем подробностей относительно работы этого насоса, однако она, по-видимому, связана с обменом ионов натрия на ионы калия; иными словами, на каждый ион натрия, выбрасываемый через мембрану, клетка принимает один ион калия. Попав внутрь аксона, ионы калия перемещаются в нем так же свободно, как обычно перемещаются ионы в любом простом солевом растворе. Когда клетка находится в состоянии покоя, ионы калия просачиваются сквозь мембрану наружу, но довольно медленно.

Мембрана аксона похожа на мембраны других клеток. Она имеет примерно 50-100 ангстремов в толщину и снабжена тонким изолирующим слоем, состоящим из жировых веществ. Ее удельное сопротивление прохождению электрического тока примерно в 10 миллионов раз выше, чем сопротивление солевых растворов, омывающих ее снаружи и изнутри. Вместе с тем аксон был бы совершенно бесполезен, если бы он использовался просто в роли электрического провода. Сопротивление жидкости внутри аксона примерно в 100 миллионов раз выше, чем сопротивление медной проволоки, а мембрана его допускает в миллион раз более сильную утечку тока, чем обмотка хорошего провода. Если раздражать аксон электрическим током, слишком слабым, для того чтобы вызвать нервный импульс, то электрический сигнал становится расплывчатым и затухает, пройдя по волокну всего лишь несколько миллиметров.

Каким же образом аксон передает первичный импульс на расстояние свыше метра без затухания и без искажения?

Если повышать интенсивность электрического сигнала, приложенного к мембране нервной клетки, то в какой-то момент достигается уровень, на котором сигнал уже не затухает и не исчезает. При этом (если взято напряжение нужного знака) преодолевается некий порог и клетка становится «возбужденной». Аксон клетки уже не ведет себя как пассивный провод, а генерирует свой собственный импульс, который усиливает первоначально приложенный импульс. Усилившийся таким образом импульс, или пик, передается от одной точки к другой, не теряя своей силы, и распространяется с постоянной скоростью по всему аксону. Скорость распространения импульса по нервным волокнам позвоночных колеблется от нескольких метров в секунду (для тонких безмякотных волокон) до примерно 100 метров в секунду (для самых толстых мякотных волокон). Наибольшую скорость проведения - более 300 километров в час - мы встречаем в чувствительных и двигательных волокнах, управляющих поддержанием равновесия тела и быстрыми рефлекторными движениями. После передачи импульса нервное волокно на короткое время теряет способность возбуждаться, впадая в рефрактерное состояние, но спустя 1-2 тысячных секунды оно вновь оказывается готовым генерировать импульсы.

Электрохимические процессы, лежащие в основе нервного импульса, или, как его называют, потенциала действия, в течение последних 15 лет удалось в значительной мере выяснить. Как мы видели, разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны определяется главным образом различной проницаемостью мембраны для ионов; натрия и калия. Такая избирательная проницаемость свойственна многим мембранам, как природным, так и искусственным. Однако особенность, мембраны нервного волокна состоит в том, что степень ее проницаемости зависит в свою очередь от разности потенциалов между ее внутренней и наружной поверхностью, и в основе всего процесса проведения импульсов лежит, в сущности, это чрезвычайно своеобразное взаимное влияние.

А. Ходжкин и А. Хаксли установили, что искусственное понижение разности потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны немедленно вызывает повышение проницаемости мембраны для ионов натрия. Мы не знаем, почему происходит такое специфическое изменение проницаемости мембраны, однако последствия этого изменения чрезвычайно значительны. Когда ионы натрия, заряженные положительно, проникают сквозь мембрану, они вызывают локальное погашение части избыточного отрицательного заряда внутри аксона, что приводит к дальнейшему уменьшению разности потенциалов. Таким образом, это самоусиливающийся процесс, ибо проникновение нескольких ионов натрия сквозь мембрану дает возможность другим ионам последовать их примеру. Когда разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны понижается до порогового значения, ионы натрия проникают внутрь в таком количестве, что отрицательный заряд внутреннего раствора меняется на положительный; происходит как бы внезапное «воспламенение», в результате чего возникает нервный импульс, или потенциал действия. Этот импульс, регистрируемый осциллографом в виде пика, изменяет проницаемость мембраны аксона на участке, лежащем впереди той точки, через которую в данный момент проходит импульс, и создает условия, обеспечивающие проникновение натрия внутрь аксона; благодаря этому процесс, многократно повторяясь, распространяется вдоль аксона до тех пор, пока потенциал действия не пройдет по всей его длине.

Непосредственно позади движущегося импульса разыгрываются другие события. «Натриевая дверца», отворившаяся во время подъема пика, вновь затворяется, и теперь ненадолго оказывается отпертой «калиевая дверца». Это вызывает быстрое вытекание положительно заряженных ионов калия, что приводит к восстановлению первоначального отрицательного заряда внутри аксона. В течение нескольких тысячных секунды после того, как разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны вернулась к исходному уровню, сдвинуть эту разность потенциалов и вызвать возникновение нового импульса трудно. Однако проницаемость мембраны для разных ионов быстро возвращается к первоначальному уровню, после чего клетка оказывается готовой к генерации следующего импульса.

Поступление ионов натрия в аксон и следующий за ним выход ионов калия наружу происходят столь недолго и затрагивают столь незначительное число частиц, что процессы эти едва ли могут влиять на состав содержимого аксона в целом. Даже без пополнения запас ионов калия внутри аксона достаточно велик, чтобы обеспечить прохождение десятков импульсов. В живом организме ферментная система, управляющая работой натриевого насоса, без труда поддерживает клетки в состоянии готовности к генерации импульсов.

Этот сложный процесс - проведение сигнала (который должен был бы очень быстро затухнуть вследствие утечки в цепи) при участии многочисленных усилителей, располагающихся вдоль линии передачи, - обеспечивает условия, необходимые нашей нервной системе для осуществления связи на относительно большие расстояния в пределах организма. Он создает известную стереотипную систему кодирования для наших каналов связи - короткие импульсы, почти постоянные по силе и следующие друг за другом с различными интервалами, величина которых зависит исключительно от длительности рефрактерного периода нервной клетки. Для восполнения недостатков этой простой системы кодирования в организме имеются многочисленные, расположенные параллельно друг другу каналы связи (аксоны), каждый из которых представляет собой отросток отдельной нервной клетки. Например, в стволе зрительного нерва, отходящего от глаза, содержится более миллиона каналов, которые тесно соприкасаются друг с другом; все они способны передавать различные импульсы высшим центрам головного мозга.

Вернемся теперь к вопросу о том, что же происходит в синапсе - в точке, где импульс доходит до конца одной клетки и сталкивается с другой нервной клеткой. Самоусиливающийся процесс передачи импульса, действующий в пределах каждой отдельной клетки, не обладает способностью автоматически «перескакивать» через границы данной клетки на соседние клетки. И это вполне естественно. Ведь если бы сигналы, идущие по отдельным каналам в нервном пучке, могли бы перескакивать из одного канала в другой, то вся такая система связи не годилась бы просто никуда. Правда, в месте функциональных синаптических контактов промежуток между клеточными мембранами составляет обычно не более нескольких сот ангстремов. Однако на основании всего того, что нам известно о размерах области соприкосновения и об изолирующих свойствах клеточных мембран, трудно представить себе, чтобы между окончанием одной нервной клетки и внутренним содержимым другой существовала эффективная телеграфная связь. Убедительным опытом в этом

смысле может служить попытка передать подпороговый импульс - т. е. импульс, не вызывающий возникновения пика, - через синапс, отделяющий один из двигательных нервов от мышечного волокна. Если к такому двигательному нерву вблизи от синапса приложить слабый ток, то отводящий электрод, введенный непосредственно в мышечное волокно, не зарегистрирует никаких импульсов. Очевидно, в синапсе телеграфная связь, осуществлявшаяся нервным волокном, прерывается, и дальнейшая передача сообщений происходит при помощи какого-то иного процесса.

Природа этого процесса была открыта примерно 25 лет назад Г. Дэйлом и его сотрудниками. В некоторых отношениях он напоминает гормональный механизм, упомянутый в начале нашей статьи. Окончания двигательного нерва действуют, подобно железам, секретируя некий химический фактор (посредник, или медиатор). В ответ на переданный им импульс эти окончания выделяют особое вещество - ацетилхолин, которое быстро и эффективно диффундирует сквозь узкую синаптическую щель. Молекулы ацетилхолина соединяются с молекулами рецептора в области контакта с мышечным волокном и каким-то образом отворяют «ионные дверцы» этого волокна, давая возможность натрию проникнуть внутрь и вызвать генерацию импульса. Тех же результатов можно достигнуть при экспериментальном нанесении ацетилхолина на область контакта с мышечным волокном. Возможно, что подобные химические медиаторы участвуют в создании большинства контактов между клетками в нашей центральной нервной системе. Однако вряд ли можно думать, что ацетилхолин служит универсальным медиатором, действующим во всех этих случаях; поэтому многочисленные ученые ведут интенсивные исследования в поисках других естественных химических медиаторов.

Проблема передачи в синапсах распадается на два круга вопросов: 1) каким именно образом нервный импульс вызывает секрецию химического медиатора? 2) каковы те физико-химические факторы, которые определяют способность химического медиатора стимулировать соседнюю клетку к генерации импульса в одних случаях или тормозить эту генерацию - в других?

До сих пор мы ничего не сказали относительно торможения, хотя оно широко распространено в нервной системе и представляет собой одно из наиболее интересных проявлений нервной деятельности. Торможение происходит в тех случаях, когда нервный импульс служит для близлежащей клетки тормозом, препятствуя ее активации под влиянием возбуждающих сигналов, поступающих в нее в это же время по другим каналам. Импульс, проходящий по тормозному аксону, неотличим по своим электрическим характеристикам от импульса, проходящего по возбуждающему аксону. Однако, по всей вероятности, физико-химическое воздействие, которое он оказывает на синапс, носит иной характер. Возможно, что торможение происходит в результате процесса, который в какой-то степени стабилизирует мембранный потенциал (электризацию) воспринимающей клетки и препятствует доведению этой клетки до порога неустойчивости или до «точки воспламенения».

Существует несколько процессов, которые могли бы привести к такой стабилизации. Об одном из них мы уже упоминали: он возникает во время рефрактерного периода, наблюдающегося тотчас же после генерации импульса. В этот период мембранный потенциал стабилизируется на высоком уровне (отрицательный заряд внутреннего содержимого клетки составляет 80-90 милливольт), потому что «калиевая дверца» широко открыта, а «натриевая дверца» плотно прикрыта. Если медиатор может вызвать одно из этих состояний или даже оба, то его действие, несомненно, носит характер торможения. Можно с полным правом считать, что именно таким способом импульсы, поступающие от блуждающего нерва, уменьшают частоту сердечных сокращений; кстати сказать, медиатор, вырабатываемый блуждающим нервом, - это все тот же ацетилхолин, как это было обнаружено В. Леви 40 лет назад. Сходные эффекты наблюдаются в различных тормозных синапсах, расположенных в спинном мозге, однако химический характер участвующих в этом медиаторов до сих пор установить не удалось.

Торможение может также возникнуть в том случае, если два «антагонистических» аксона, принадлежащих двум разным клеткам, встретятся на одном и том же участке третьей клетки и выделят какие-либо химические вещества, способные конкурировать друг с другом. Хотя примеров подобного торможения в природе еще не обнаружено, однако в химии и фармакологии явление конкурентного торможения хорошо известно. (Например, парализующее действие яда кураре основано на его конкуренции с ацетилхолином. Молекулы кураре обладают способностью присоединяться к той области мышечного волокна, которая обычно свободна и вступает во взаимодействие с ацетилхолином.) Возможно также и обратное, т. е. что какое-то вещество, выделяемое окончанием тормозного нерва, действует на окончание возбуждающего нерва, понижая его секреторную функцию, а тем самым и количество выделяемого возбуждающего медиатора.

Итак, мы вновь упираемся в тот же вопрос: каким образом нервный импульс вызывает выделение медиатора? Проведенные недавно эксперименты показали, что действие нервных импульсов в месте соединения нерва с мышцей состоит не в том, чтобы вызвать процесс секреции медиатора, а в том, чтобы, изменяя мембранный потенциал, изменить скорость этого процесса, который происходит непрерывно. Даже при отсутствии какой бы то ни было стимуляции определенные участки нервных окончаний выделяют с неравномерными интервалами порции ацетилхолина, причем каждая такая порция содержит множество - возможно, тысячи - молекул.

Всякий раз при спонтанном выделении порции молекул медиатора в мышечном волокне, лежащем по другую сторону синапса, можно зарегистрировать внезапную небольшую местную реакцию. По прошествии одной тысячной секунды потенциал мышечной мембраны понижается на 0,5 милливольта, а затем в течение 20 тысячных секунды происходит восстановление потенциала. Систематически изменяя мембранный потенциал нервного окончания, удалось выявить определенную зависимость между этим мембранным потенциалом и скоростью секреции отдельных порций медиатора. По-видимому, скорость секреции возрастает примерно в 100 раз при понижении мембранного потенциала на каждые 30 милливольт. В состоянии покоя выделяется по одной порции медиатора в секунду на каждый синапс. Однако при кратковременном изменении потенциала «на 120 милливольт во время прохождения нервного импульса частота выделения порций медиатора на короткое время возрастает почти в миллион раз, в результате чего в течение долей миллисекунды одновременно выделяется несколько сот порций медиатора.

Чрезвычайно существенно, что медиатор всегда выделяется в виде мультимолекулярных порций определенного размера. Это, вероятно, объясняется какими-то особенностями микроскопической структуры нервных окончаний. Эти нервные окончания содержат своеобразное скопление так называемых пузырьков диаметром около 500 ангстремов каждый, в которых, возможно, и содержится медиатор, уже «расфасованный» и готовый к выделению. Можно предполагать, что когда эти пузырьки сталкиваются с мембраной аксона, как это, вероятно, часто происходит, то такое столкновение иногда приводит к выплескиванию содержимого пузырьков в синаптическую щель. Подобные предположения необходимо еще подтвердить прямыми данными, однако они позволяют дать разумное объяснение всему тому, что нам известно относительно спонтанного выделения дискретных порций ацетилхолина и ускорения этого выделения при различных естественных и экспериментальных условиях. Во всяком случае, эти предположения позволяют свести воедино функциональный и морфологический подход к одной и той же проблеме.

Ввиду скудности сведений, которыми мы располагаем, мы совершенно не коснулись многих интереснейших проблем длительных взаимодействий и приспособительных модификаций, которые, несомненно, происходят в нервной системе. Для изучения этих проблем физиологии, вероятно, придется разработать совершенно новые методы, не похожие на прежние. Возможно, что наша приверженность методам, позволившим столь успешно исследовать кратковременные реакции возбудимых клеток, помешала нам глубже проникнуть в проблемы обучения, памяти, выработки условных рефлексов, а также структурных и функциональных взаимодействий между нервными клетками и их соседями.

У человека более ста миллиардов нейронов. Каждый нейрон состоит из тела и отростков - обычно одного длинного аксона и нескольких коротких разветвлённых дендритов. Благодаря этим отросткам нейроны контактируют друг с другом и образуют сети и круги, по которым циркулируют нервные импульсы. На протяжении всей жизни мозг человека теряет нейроны. Такая гибель клеток генетически запрограммирована, но в отличие от клеток других тканей нейроны не способны делиться. В этом случае действует иной механизм: функции погибших нервных клеток берут на себя их «коллеги», которые увеличиваются в размерах и формируют новые связи, компенсируя бездействие погибшей клетки.

Согласно расхожему мнению, нервные клетки не восстанавливаются. Однако это не соответствует действительности: нейроны - клетки нервной системы - действительно, не могут делиться, как клетки других тканей, но они возникают и развиваются даже в мозге взрослого человека. К тому же нейроны способны восстанавливать утраченные отростки и контакты с другими клетками.
Нервная система человека состоит из центральной части и периферической. Центральная включает в себя головной и спинной мозг. В головном мозге находится самое обширное скопление нейронов. От тела каждого отходят многочисленные отростки, которые формируют контакты с соседними нейронами. Периферическую часть образуют спинномозговые, вегетативные и черепные узлы, нервы и нервные окончания, обеспечивающие проведение нервных импульсов к конечностям, внутренним органам и тканям. В здоровом состоянии нервная система - слаженный механизм, если одно из звеньев сложной цепи не выполняет свои функции, страдает всё тело. К ускоренной гибели нейронов приводят, к примеру, тяжёлые поражения головного мозга после инсультов, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера. На протяжении нескольких десятилетий учёные пытаются понять, возможно ли стимулировать восстановление утраченных нервных клеток.

И всё-таки они регенерируют

Первые научные публикации, подтверждающие рождение новых нейронов в мозге взрослых млекопитающих, принадлежат американскому исследователю Джозефу Олтману (Joseph Altman). В 1962 году в журнале Science вышла его статья «Формируются ли новые нейроны в мозге взрослых млекопитающих?», в которой Олтман рассказывал о результатах своего эксперимента. С помощью электрического тока он разрушил одну из структур мозга крысы (латеральное коленчатое тело) и ввёл туда радиоактивное вещество, которое проникает в новые клетки. Через несколько месяцев Олтман обнаружил новые радиоактивные нейроны в таламусе и коре головного мозга. В последующие годы Олтман опубликовал ещё несколько работ, доказывающих существование нейрогенеза в мозге. К примеру, в 1965-м была опубликована его статья в журнале Nature. Несмотря на это в научном сообществе у Олтмана было много оппонентов, только спустя несколько десятилетий, в 1990-х, его работы получили признание, а феномен рождения новых нейронов - нейрогенез - стал одной из самых увлекательных областей нейрофизиологии.
Сегодня уже известно, что нейроны могут зарождаться в мозге взрослого млекопитающего из так называемых нейрональных стволовых клеток. Пока установлено, что происходит это в трёх областях головного мозга: зубчатой извилине гиппокампа, субвентрикулярной области (в боковых стенках латеральных желудочков мозга) и коре мозжечка. В мозжечке нейрогенез протекает наиболее активно. Эта область мозга отвечает за приобретение и сохранение информации о бессознательных автоматизированных навыках - к примеру, разучивая танец, мы постепенно перестаём задумываться о движениях, выполняем их автоматически; информация об этих па хранится именно в мозжечке. Пожалуй, самым интригующим для исследователей остаётся нейрогенез в зубчатой извилине. Именно здесь рождаются наши эмоции, хранится и обрабатывается пространственная информация. Пока не удаётся разобраться, каким образом вновь образованные нейроны воздействуют на уже сформированные воспоминания и взаимодействуют со зрелыми клетками этого отдела мозга.

Опыты с крысами в лабиринтах различных конструкций помогают учёным понять, что происходит с новыми нейронами в мозге и как они встраиваются в отлаженную работу уже существующих клеток нервной системы.

Лабиринт на память

Для того чтобы понять, как новые нейроны взаимодействуют со старыми, активно изучают процесс обучения животных в водном лабиринте Морриса. В ходе опыта животное помещают в бассейн 1,2–1,5 м в диаметре, глубиной 60 см. Стены бассейна различны, при этом в определённом месте бассейна в нескольких миллиметрах под водой скрыта платформа. Погружённая в воду лабораторная крыса стремится быстрее ощутить твёрдую почву под ногами. Плавая в бассейне, животное узнаёт, где находится платформа, и в следующий раз находит её уже быстрее.
С помощью обучения крыс в водном лабиринте Морриса удалось доказать, что формирование пространственной памяти приводит к гибели самых молодых нейронов, но активно поддерживает выживание клеток, которые образовались примерно за неделю до опыта, то есть в процессе формирования памяти происходит регулирование объёма новых нейронов. В то же время появление новых нейронов обеспечивает возможность формирования новых воспоминаний. В противном случае животные и человек не могли бы адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды.
Было отмечено, что столкновение со знакомыми предметами активирует различные группы нейронов гиппокампа. По-видимому, каждая группа таких нейронов несёт воспоминание о конкретном событии или месте. Причём жизнь в разнообразной среде стимулирует нейрогенез в гиппокампе: мыши, которые проживают в клетках с игрушками и лабиринтами, имеют больше вновь образованных нейронов в гиппокампе, чем их сородичи из стандартных пустых клеток.
Примечательно, что нейрогенез активно проходит только в тех зонах мозга, которые непосредственно отвечают за физическое выживание: ориентацию по запаху, ориентацию в пространстве, за формирование двигательной памяти. Обучение абстрактному мышлению активно проходит в молодом возрасте, когда мозг ещё растёт и нейрогенез затрагивает все зоны. А вот после достижения зрелости мыслительные функции развиваются за счёт перестройки контактов между нейронами, но не за счёт появления новых клеток.
Несмотря на несколько неудачных попыток, поиски неизвестных ранее очагов нейрогенеза во взрослом мозге продолжаются. Это направление считается актуальным не только для фундаментальной науки, но и для прикладных исследований. Многие заболевания центральной нервной системы связаны с потерей определённой группы нейронов мозга. Если бы можно было вырастить им замену, то болезнь Паркинсона, многие проявления болезни Альцгеймера, негативные последствия эпилепсии или инсульта были бы побеждены.

Заплатки для мозга

Ещё один любопытный метод, взятый на вооружение нейробиологами в их исследованиях, - вживление эмбриональных стволовых клеток в мозг взрослого животного для восстановления утраченных функций. Пока подобные эксперименты приводят к отторжению привнесённой ткани или клеток из-за сильного иммунного ответа, но если стволовые клетки и приживаются в некоторых случаях, они перерастают в клетки глии (сопровождающей ткани), а вовсе не в нейроны. Даже если в будущем нейрогенез можно будет активировать в любой зоне мозга, неясно, каким образом вновь образованные нейроны будут формировать связи внутри уже сложившейся сети нервных клеток и будут ли они вообще на это способны. Если гиппокамп к такому процессу готов, то появление новых нейронов в других областях мозга может нарушить те сети, которые устанавливались годами; вместо ожидаемой пользы, возможно, будет нанесён лишь вред. Тем не менее учёные продолжают активно изучать возможности нейрогенеза в других участках мозга.


На рисунке показан процесс образования новых нейронов в гиппокампе взрослого млекопитающего при облучении малыми дозами радиации. Новые нейроны красные, глия - зелёная.

Совсем недавно, в феврале 2010-го, группа канадских исследователей из университета Торонто (University of Toronto) и университета Ватерлоо (University of Waterloo) опубликовала результаты экспериментов с использованием циклоспорина А в качестве стимулятора нейрогенеза. В культуре клеток была показана способность циклоспорина А увеличивать рост и количество клеток в колонии, а введение этого вещества взрослым мышам привело к увеличению нейрональных стволовых клеток в мозге.
Наряду с искусственными веществами, исследуют и свойства эндогенных молекул, которые способны усилить нейрогенез. Наибольшее внимание здесь заслуживают нейротрофические факторы, которые вырабатываются организмом животных. Это фактор роста нервов (NGF), нейротрофический фактор головного мозга (BDNF), нейротрофины-1, -3 и -4.
Нейротрофические факторы принадлежат к группе белков, которые поддерживают рост, развитие и выживаемость нервных клеток. Если доставить нейротрофический фактор в повреждённую область мозга, то можно значительно замедлить гибель нейронов, поддержать их жизнедеятельность. Хотя нейротрофические факторы не в состоянии активировать появление новых нервных клеток в головном мозге, они обладают уникальным свойством - активируют восстановление отростков нервных клеток (аксонов) после повреждения или утраты. Длина некоторых аксонов достигает метра, и именно аксоны проводят нервные импульсы из головного мозга к нашим конечностям, внутренним органам и тканям. Целостность этих путей нарушается при переломах позвоночника и смещении позвонков. Регенерация аксонов - это надежда на восстановление способности двигать руками и ногами в таких случаях.

Ростки и отростки

Первые работы, доказывающие возможность регенерации аксонов, были опубликованы в 1981 году. Тогда появилась статья в журнале Science, которая доказывала, что такая регенерация возможна. Обычно регенерации аксонов мешают несколько причин, но если препятствие устранить, то аксоны активно прорастают и создают новые контакты вместо утраченных. С началом изучения регенерации аксонов была открыта новая эра в медицине, теперь у людей с повреждением спинного мозга появилась надежда, что двигательные способности можно вернуть. Эти исследования получили широкую поддержку, причём не только различных исследовательских центров. Так, известный актёр Кристофер Рив, сыгравший главную роль в фильме «Супермен» и ставший инвалидом после перелома позвоночника, основал вместе со своей женой фонд для поддержки подобных исследований - Christopher and Dana Reeve Paralysis Foundation.


Последние исследования нейробиологов дают некоторые надежды инвалидам, прикованным к коляске из-за повреждений нервной системы.

Главная преграда на пути регенерации аксонов - это формирование рубцовой ткани, которая отгораживает повреждения спинного мозга или периферических нервов от окружающих клеток. Считается, что такой рубец спасает близлежащие области от возможного проникновения токсинов из поврежденной зоны. В результате аксоны не могут пробиться сквозь рубец. Показано, что основу рубцовой ткани составляют протеингликаны (хондроитинсульфат).
Исследования, проведённые в 1998 году в лаборатории профессора Дэвида Муира (David Muir) в Институте мозга при университете Флориды, показали, что возможно разрушить протеингликаны с помощью бактериального фермента хондроитиназы АВС. Но даже при удалении механического препятствия рост аксонов всё ещё замедлен. Дело в том, что в месте повреждения присутствуют мешающие регенерации вещества, такие как MAG, OMgp, Nogo. Если их заблокировать, то можно добиться значительного усиления регенерации.
Наконец, для успешного роста аксонов важно поддерживать высокий уровень нейротрофических факторов. Несмотря на то, что нейротрофины оказывают позитивный эффект на регенерацию нервной системы, клинические испытания выявили значительные побочные эффекты, такие как потеря веса, аппетита, тошнота, появление психологических проблем. Чтобы усилить регенерацию, в место повреждения можно было бы ввести стволовые клетки, но существуют данные о том, что вживление стволовых клеток в спинной мозг может спровоцировать появление опухолей.
Даже если аксон вырос и стал способен проводить нервные импульсы, это ещё не означает, что конечности начнут нормально функционировать. Чтобы это произошло, необходимо наличие множества контактов (синапсов) между аксонами нервных клеток и мышечными волокнами, которые и приводят в движение тело человека. Восстановление таких контактов занимает длительное время. Конечно, выздоровление можно ускорить, если выполнять специальные физические упражнения, но за несколько месяцев или даже лет невозможно полностью воссоздать картину нервных контактов, которая формировалась десятилетия, с самого первого дня зарождения человеческой жизни. Число таких контактов не поддаётся подсчету, вероятно, оно сравнимо с числом звёзд во Вселенной.
Но есть и положительный момент - всё-таки за последние годы удалось сдвинуться с мёртвой точки, теперь хотя бы понятно, какими способами можно пытаться ускорить нейрорегенерацию.

Последнее обновление: 29/09/2013

Синапс – определение, структура, роль синапса в строении нервной системы

Синапс в структуре нервной системы – это небольшой участок в окончании нейона, отвечающий за передачу информации между нервными клетками. В его формировании участвуют две клетки – передающая и воспринимающая.

Определение понятия

Синапс является небольшим отделом в окончании нейрона. С его помощью ведется передача информации от одного нейрона к другому. Синапсы располагаются в тех участках нервных клеток, где они контактируют друг с другом. Кроме того, синапсы имеются в местах, где нервные клетки вступают в соединение с различными мышцами или железами организма.

Строение синапса

Структура синапса состоит из трех частей, каждая из которых несет свои функции в процессе передачи информации. В его строении задействованы обе клетки, и передающая, и воспринимающая.

На конце аксона передающей клетки располагается начальная часть синапса – пресинаптическое окончание. Оно способно вызывать в клетке запуск (термин имеет несколько названий – «нейромедиаторы», «посредники», «медиаторы») – специальных химических веществ, благодаря которым реализовывается передача электрического сигнала между двумя нейронами.

Средняя часть синапса является синаптической щелью – пространством между двумя вступающими во взаимодействие нервными клетками. Именно через эту щель и идет электрический импульс от передающей клетки.

Заключительная часть синапса является частью клетки воспринимающей и называется постсинаптическим окончанием – контактирующем фрагментом клетки со множеством чувствительных рецепторов в своей структуре.

Механизм работы синапса

Из пресинаптического окончания вниз по аксону нейрона проходит электрический заряд от передающей клетки к воспринимающей. Он запускает выброс в синаптическую щель нейротрансмиттеров. Данные медиаторы двигаются через синаптическую щель до постсинаптического окончания следующей клетки, где вступают во взаимодействие с многочисленными ее рецепторами. Данный процесс вызывает цепь биохимических реакций и, как следствие, провоцирует запуск электрического импульса с кратким изменением своего потенциала на участке клетки. Данное явление известно как потенциал действия (или волна возбуждения при прохождении нервного сигнала).

Серое вещество образуется скоплениями нервных клеток (с начальными отделами отходящих от их тел отростков). Отдельные ограниченные скопления серого вещества носят названия ядер.

Вегето-сосудистая дистония симптомы

К основным отделам ВНС относятся: симпатический и парасимпатический .
Симпатический отдел ВНС отвечает за расслабление мускулатуры пищеварительного тракта , мочевого пузыря ,