Торможение в центральной нервной системе

Одним из фундаментальных свойств ЦНС является способность к торможению. Явление центрального торможения было открыто в 1863 г. И. М. Сеченовым, обнаружив­шим возникновение торможения спинальных центров лягушки при раздражении структур среднего мозга. В дальнейшем была выявлена возможность торможения спинальных реакций не только при раздражении надсегментарных образований, но и нервов проти­воположной стороны тела. Это открытие позволило подойти к установлению реципрок- ных отношений между процессами возбуждения и торможения в ЦНС. Реципрокный характер возбуждающих и тормозных влияний в спинном мозге показан учеником И. М. Сеченова Н. Е. Введенским и подробно проанализирован английским нейрофизио­логом Ч. Шеррингтоном.

Важным шагом в выяснении природы центрального торможения оказалось выявле­ние самостоятельного значения торможения для работы нервных центров. Торможение нельзя свести ни к утомлению нервных центров, ни к их перевозбуждению или католи­ческой депрессии нервных клеток. Торможение — самостоятельный нервный процесс, вызываемый возбуждением и проявляющийся в подавлении другого возбуждения. В от­личие от процесса возбуждения, который может проявляться в двух основных формах — распространяющихся потенциалов действия и локальных потенциалов, торможение может развиваться только в форме локального процесса и поэтому всегда связано с существованием специфических тормозных синапсов (рис. 68).

Функция тормозных синапсов однозначна (они всегда вызывают только торможе­ние), образующие их пресинаптические окончания относятся к аксонам так называемых тормозных нейронов, угнетающих активность всех нервных клеток, которые они иннерви- руют. Примером тормозных нейронов в спинном мозге являются вставочные нейроны Реншоу, в головном мозге — грушевидные нейроны {нейроны Пуркинье) коры мозжечка.

С помощью микроэлектродов установлено, что синаптическое торможение может вести к подавлению активности нейрона, имеющего тормозной синапс, вследствие изме­нения свойств постсинаптической мембраны нейрона (так называемое постсинаптическое торможение) или в результате уменьшения эффективности действия возбуждающих синапсов еще на пресинаптическом уровне (так называемое пресинаптическое тормо­жение). Особенно широкое распространение в ЦНС имеет постсинаптическое торможение.

Постсинаптическое торможение. Медиатор, выделяемый пресинаптическими оконча­ниями тормозных синапсов, изменяет свойства постсинаптической мембраны таким обра­зом, что способность нервной клетки генерировать процессы возбуждения (ВПСП или потенциал действия) подавляется. Поэтому данное явление принято обозначать как постсинаптическое торможение, а лежащее в его основе изменение в постсинаптической мембране — тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП).

Вн ее н наптн ч есиая область

Тормозящий синапс

Рис. 68. Эквивалентная электрическая схема тормозного си на пти чес ко го входа.

i3»4CTpatM6T04Hafl f среда

Внутриклеточная среде

С_м ■ емкость мембраны; R_m, R, сопротивление мембраны; Rs - сопротивление сииаптнческого контакта; Ем — электродвижущая сила мембраны. Es электродвижущая сила сипа пти чес ко го кон­такта.

2 мВ

МВ

-I__ I

Рис. 69. Тормозной постсинаптический по­тенциал (ТПСП)в мото нейронах спин нот мозга кошки.

а — ТПСП. вызванный раздражением нерва; б — ТПСП, вызванный раздражением вставоч­ного нейрона.

Специфика тормозных синаптических эффектов была впервые наиболее подробно изучена на мотонейронах млекопитающих, а в дальнейшем — на многих нейронах мозга, включая нервные клетки мозгового ствола, гиппокампа и коры.

В мотонейронах спинного мозга возникновение ТПСП в ответ на раздражение аффе­рентных волокон, идущих от мышц-антагонистов, обязательно связано с включением в тормозной процесс дополнительного звена — специального вставочного тормозного нейрона, аксональные окончания которого выделяют медиатор (вероятнее всего это глицин), вызывающий развитие ТПСП в постсинаптической мембране. Пример ТПСП в мотонейроне спинного мозга кошки показан на рис. 69. Как видно на этом рисунке, временное течение ТПСП почти совпадает с временным течением ВПСП. И для ВПСП, и для ТПСП характерна более быстрая фаза нарастания и более длительная, убывающая по экспоненте фаза спада. ТПСП, возникающие при раздражении мышечных нервов, можно рассматривать как результат почти синхронного вовлечения совокупности тормоз­ных нейронов. ТПСП, вызываемые прямым микроэлектродным раздражением одного тормозного нейрона, имеют сходные временные характеристики, но значительно мень­шую величину.

Первоначально было сделано заключение, что торможение всегда развивается в результате гиперполяризации постсинаптической мембраны, так как тормозной медиа­тор увеличивает ее проницаемость для К⁺- В дальнейшем было установлено, что постси- наптическое торможение не обязательно сопровождается гиперполяризацией мембраны, так как более важное значение имеют лежащие в основе ТПСП сложные изменения ионной проводимости постсинаптической мембраны.

ТПСП обнаруживает очень высокую чувствительность к сдвигам мембранного потенциала, увеличиваясь при деполяризации и уменьшаясь при гиперполяризации. Когда последняя приводит к увеличению мембранного потенциала до 80 мВ, ТПСП превращается в деполяризационный ответ. Однако и в этом случае его тормозящее действие сохраняется.

Извращение ТПСП объясняется тем, что тормозной медиатор повышает проницаемость постсинаптической мембраны для С1" В нормальных условиях концентрации С1" во внеклеточной среде превышает его содержание в нейроплазме. Во время развития ТПСП отрицательно заряжен­ные ионы хлора устремляются внутрь клетки, увеличивая трансмембранную разность потенциалов. Когда концентрация С1" в нейроплазме превышает его содержание в наружной среде, тормозной медиатор приводит к движению С1" из клетки наружу, что приводит к ее деполяризации в резуль­тате потери отрицательных зарядов. Таким образом, тормозная постсинаптическая мембрана мото­нейронов и других нейронов ЦНС действует как образование селективное к С1", что, вероятно, обусловлено наличием положительных зарядов в стенках ионных каналов мембраны.

Физический смысл ТПСП всегда остается неизменным, он стремится сдвинуть мембранный потенциал в сторону, противоположную той, которая необходима для развития возбуждающего эффекта.

Учитывая природу тормозного процесса, можно сделать вывод, что эффективность тормозных синапсов во многом зависит от их локализации на поверхности клетки. Тормозной эффект тем более значителен, чем ближе тормозной синапс расположен к месту генерации потенциала действия. Вследствие этого тормозные синапсы локализованы главным образом на теле нервных клеток вблизи от триггерной зоны аксонного холмика.

Поскольку функция тормозных синапсов заключается именно в подавлении или ограничении процессов возбуждения, развивающихся в постсинаптической мембране, важно рассмотреть особенности взаимодействия возбуждающих и тормозных постсинаптических эффектов.

В клетках ЦНС, получающих как возбуждающие, так и тормозные синаптические входы, их взаимодействие может быть рассмотрено на примере суммации ВПСП и ТПСП. Исследования, проведенные с помощью усреднения постсинаптических потенциалов на вычислительной машине, показали, что суммация ВПСП и ТПСП обычно имеет нелинейный характер (рис. 70).

Поэтому суммарная реакция нервной клетки на сочетанную активацию взаимодействующих входов значительно меньше алгебраической суммы обоих потенциалов. Наибольшая степень нелинейности наблюдается при совмещении начальных фаз ВПСП и ТПСП, т. е. в момент, когда лежащие в их основе изменения проводимости достигают максимума. Это полностью согласуется с тем, что эффект постсинаптического торможения обусловлен в первую очередь повышением проводимости постсинаптической мембраны.

Пресинаптическое торможение. Синаптическое торможение, приводящее к умень­шению эффективности возбуждающих синаптических влияний, может развиваться не только на уровне постсинаптической мембраны (как это было рассмотрено выше), но еще в пресинаптическом звене путем угнетения процесса высвобождения медиатора возбуждающими нервными окончаниями. В этом случае свойства постсинаптической мембраны не подвергаются каким бы то ни было изменениям.

Пресинаптическое торможение обнаружено в различных отделах ЦНС. Наиболее часто оно выявляется в структурах мозгового ствола и особенно в спинном мозге.

Так же как и постсинаптическое, пресинаптическое. торможение осуществляется посредством специальных тормозных вставочных нейронов.

Рис. 70. Суммация возбудительного и тормоз­ного постсинаптических потенциалов.

t

I — ВПСП; 2-ТПСП': 3 - суммация ВПСП и ТПСП'; 4 суммация ВПСП и ТПСП"; 5 — ТПСП".

Рис. 71. Схема организации синапсов, участву­ющих в пресинаптическом торможении.

Структурной основой пресинаптического торможения являются аксоаксоииые синапсы, образованные окончаниями аксонов тормозных вставочных нейронов и аксо- нальными окончаниями возбуждающих нейронов. В этом случае окончание аксона тормозного нейрона является пресинаптическим по отношению к возбуждающему окончанию, которое в свою очередь будучи постсинаптическим по отношению к тормозно­му окончанию, является пресинаптическим по отношению к активируемой им нервной клетке (рис. 71). Импульсы в пресинаптическом тормозном аксоне высвобождают медиа­тор (в спинном мозге это вероятнее всего у-аминомасляная кислота), который вызывает деполяризацию возбуждающих окончаний за счет увеличения проницаемости их мембра­ны для С1~. Предполагается, что указанная деполяризация вызывает уменьшение амплитуды потенциала действия, приходящего в возбуждающее окончание, что в свою очередь уменьшает количество высвобождаемого им медиатора, вследствие чего ампли­туда возбуждающего постсинаптического потенциала падает.

Другим механизмом пресинаптического торможения может быть уменьшение входящего внутрь потока Са²⁺, воздействующего на электросекреторную связь. И в этом случае пресинаптиче­ское торможение приводит к уменьшению числа квантов медиатора, высвобождаемого возбуждаю­щим пресинаптическим окончанием.

У млекопитающих продолжительность пресинаптического торможения значительно превосходит продолжительность постсинаптического торможения. Большая длитель­ность пресинаптического торможения, по-видимому, обусловлена ритмической актив­ностью тормозных вставочных нейронов.

Пресинаптическое торможение особенно эффективно при обработке информации, поступающей к нейрону по различным пресинаптическим путям. В этом случае возбуж­дение, поступающее по одному из синаптических входов, может быть избирательно уменьшено или даже полностью подавлено при отсутствии влияния на другие входы. Подобного результата нельзя достичь путем воздействия на проводимость постсинапти­ческой мембраны, как это имеет место при постсинаптическом торможении, влияющем на всю нервную клетку.