Роль различных элементов нейрона в возникновении возбуждения

1. В возникновении ПД в нейронах в отличие от нервных и мы­шечных волокон (скелетные мышцы) принимают участие ионы Са²*, ток которых в клетку более медленный, чем ток ионов №⁺. В частности, в дендритах клеток Пуркинье мозжечка выявлены не только быстрые натриевые потенциалы, но и медленные кальцие­вые, вход ионов Са⁺ в пресинаптических окончаниях обеспечива­ет выброс медиатора. В телах некоторых нервных клеток ПД соз­дается преимущественно за счет ионов Са²⁺, а в аксоне - главным образом за счет ионов Ка⁺.

2. Для возбуждения нейрона (возникновение ПД) необходимы поток афферентных импульсов и их взаимодействие. Это объясня­ется тем, что один пришедший к нейрону импульс обеспечивает выделение не более одного кванта медиатора (порция одного пу­зырька), что вызывает небольшой возбуждающий постсииаптиче-ский потенциал (ВПСП) - всего 0,05 мВ (миниатюрный ВПСП). Один пузырек содержит до десяти тысяч молекул медиатора, на­пример ацетилхолина. Если учесть, что пороговый потенциал нейрона 5-10 мВ, то становится ясно, что для возбуждения ней­рона требуется некоторое множество импульсов. Выброс медиа­тора из нервного окончания обеспечивает входящий в деполяри­зованную терминаль ток Са²⁺. Действует Са²⁺ с помощью белка кальмодулина. при этом 4 иона Са⁺ обеспечивают выброс одного кванта медиатора. При поступлении импульсов к нейрону-мишени в результате суммации ВПСП различных входов возни­кает деполяризация генераторного пункта, которая, достигнув критической величины, обеспечивает возникновение ПД нейро­на-мишени. ВПСП возникает вследствие суммарного тока со­гласно электрохимическому градиенту в клетку и из клетки раз­личных ионов через ионные каналы, функциональная актив­ность которых определяется присутствием медиатора. Посту­пивший в пресинаптическое окончание Са²⁺ удаляется за его пределы с помощью Са-насоса. Действие выделившегося в синаптическую щель медиатора прекращается частично посредст­вом обратного захвата его пресинаптическим окончанием, час­тично с помощью разрушения специальными ферментами. Норадреналин расщепляется моноаминоксидазой и катехолметил-трансферазой, ацетилхолин гидролизуется ацетилхолинтранс-феразой, имеющейся в синаптической щели и встроенной в постсинаптическую мембрану. Прекращение действия избытков ме­диатора на постсинаптическую мембрану предотвращает десенситизацию - снижение чувствительности постсипаптической мембраны к действующему медиатору.

Медиаторы, ферменты, белки, митохондрии транспортируются в пресинаптические окончания из тела клетки по аксону с помо­щью микротрубочек и микрофиламентов, тянущихся по всей дли­не аксона. Для этого транспорта необходимы ионы Са²* и энергия (АТФ непрерывно ресинтезируется в аксоне). Из синапса ретро­градно транспортируются по аксону в тело клетки вещества, ре­гулирующие в ней синтез белка.

3. Место возникновения ВПСП. Подавляющее большинство нейрональных синапсов находится на дендритах нейрона. Наибо­лее эффективно вызывают возбуждение нейрона синаптические контакты, расположенные на теле нейрона. Это связано с тем, что постсинаптические мембраны этих синапсов локализуются в не­посредственной близости от места первичного возникновения ПД, в аксонном холмике. Близость соматических синапсов к аксонному холмику предполагает абсолютное участие их ВПСП в механиз­мах генерации ПД. В этой связи некоторые авторы предлагают называть их генераторными синапсами.

4. Место возникновения ПД. Генераторный пункт нейрона - ак-сонный холмик. Синапсы на нем отсутствуют. Отличительной особенностью аксонного холмика является высокая возбуди­мость, в 3-4 раза превосходящая возбудимость мембраны тела нейрона, что объясняется более высокой концентрацией Ка-каналов на аксонном холмике. ВПСП электротонически достига­ют аксонного холмика, обеспечивая здесь уменьшение мембран­ного потенциала до критического уровня. В этот момент возника­ет ПД. Возникший в аксонном холмике ПД, с одной стороны, ор-тодромно переходит на аксон, с другой - антидромно на тело нейрона (рис. 4.3). Как отмечалось, постоянная длины мембраны нейрона составляет 1 мм (расстояние, на котором ВПСП умень­шается на 37%), а диаметр тела нейрона в несколько десятков раз меньше, поэтому величина ВПСП, достигающая аксонного хол­мика, достаточна для возникновения на нем ПД.

При возбуждении нейронов потребление О2 возрастает в 2 раза, в цитоплазме уменьшается количество нуклеиновых кислот (иногда в 5 раз). Источником энергии является в основном глюко­за крови, собственные небольшие запасы гликогена достаточны лишь на 3-5 мин работы нейрона.

5. Роль дендритов в возникновении возбуждения до сих пор дис­кутируется. Дендритные синапсы удалены на значительное рас­стояние от генераторного пункта нейрона. По этой причине их ВПСП не могут вызвать там должную деполяризацию и обеспе­чить генерацию ПД. Считают, что синаптический аппарат денд-ритов проявляет себя при одновременном поступлении возбужде­ния к значительному числу дендритных синапсов. При этом сум­марный дендритный ВПСП, изменяя мембранный потенциал ге­нераторного пункта на подпороговом уровне, вызывает лишь мо­дуляцию его возбудимости, делая возбудимость большей или меньшей в зависимости от временных и амплитудных характери­стик колебаний мембранного потенциала генераторного пункта относительно величины критического уровня деполяризации. Данное обстоятельство, как выяснилось, может отразиться на вы­раженности ответной реащии нейрона при поступлении к нему в этот момент возбуждения через синапсы тела нейрона. Поэтому дендритные синапсы получили название модуляторных синапсов. >—

Рис. 4.3. Регистрация (а) и временное течение ВПСП и ПД (б) в мотонейроне спинного мозга позвоночного при одиночной стимуляции заднекорешковых волокон. 1 - начальный сегмент аксона; 2 - сомадендритный комплекс; 3 - ПД; 4 – ВПСП 4.6. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ В ЦНС Все особенности распространения возбуждения в ЦНС объяс­няются ее нейронным строением: наличием химических

синапсов, многократным ветвлением аксонов нейронов, наличием замкнутых нейронных путей. Этими особенностями являются следующие.

1. Иррадиация (дивергенция) возбуждения в ЦНС. Она объясня­ется ветвлением аксонов нейронов, их способностью устанавли­вать многочисленные связи с другими нейронами, наличием вста­вочных нейронов, аксоны которых также ветвятся (рис. 4.4, а).

Иррадиацию возбуждения можно наблюдать в опыте на спинальной лягушке, когда слабое раздражение вызывает сгибание одной конечности, а сильное - энергичные движения всех конеч­ностей и даже туловища. Дивергенция расширяет сферу действия каждого нейрона. Один нейрон, посылая импульсы в кору боль­шого мозга, может участвовать в возбуждении до 5000 нейронов.

Рис. 4.4. Дивергенция афферентных дорсальных корешков на спинальные нейроны, аксоны которых, в свою очередь, ветвятся, образуя многочисленные коллатерали (а), и конвергенция эфферентных путей от различных отделов ЦНС на а-мотонейрон спинного мозга (b)

2. Конвергенция возбуждения (принцип общего конечного пу­ти) - схождение возбуждения различного происхождения по не­скольким путям к одному и тому же нейрону или нейронному пулу (принцип шеррингтоновской воронки). Конвергенция возбуждения объясняется наличием многих аксонных коллатералей, вставочных нейронов, а также тем, что афферентных путей в несколько раз больше, чем эфферентных нейронов. На одном нейроне ЦНС мо­жет располагаться до 10 000 синапсов. Явление конвергенции воз­буждения в ЦНС имеет широкое распространение. Примером мо­жет служить конвергенция возбуждения на спинальном мотонейро­не. Так, к одному и тому же спинальному мотонейрону подходят первичные афферентные волокна (рис. 4.4, 6). а также различные нисходящие пути многих вышележащих центров ствола мозга и других отделов ЦНС. Явление конвергенции весьма важно: оно обеспечивает, например, участие одного мотонейрона в нескольких различных реакциях. Мотонейрон, иннервирующий мышцы глот­ки, участвует в рефлексах глотания, кашля, сосания, чиханья и ды­хания, образуя общий конечный путь для многочисленных рефлек­торных дуг. На рис. 4.4, я показаны два афферентных волокна, ка­ждое из которых отдает коллатерали к 4 нейронам таким образом, что 3 нейрона из общего их числа, равного 5, образуют связи с обо­ими афферентными волокнами. На каждом из этих 3 нейронов кон­вергируют два афферентных волокна. На один мотонейрон может конвергировать множество колла-тералей аксонов, до 10 000-20 000, поэтому генерация ПД в каж­дый момент зависит от общей суммы возбуждающих и тормозя­щих синаптических влияний. ПД возникают лишь в том случае, если преобладают возбуждающие влияния. Конвергенция может облегчать процесс возникновения возбуждения на общих нейро­нах в результате пространственной суммации подпороговых ВПСПлнбо блокировать его вследствие преобладания тормозных влияний (см. раздел 4.8).

3. Циркуляция возбуждения по замкнутым нейронным цепям. Она может продолжаться минуты и даже часы (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Циркуляция возбуждения в замкнутых нейронных цепях по Лоренто де-Но (а) и по И.С.Беритову (6). 1,2, 3 - возбуждающие нейроны Циркуляция возбуждения - одна из причин явления последей­ствия, которое будет рассмотрено далее (см. раздел 4.7). Считают,

что циркуляция возбуждения в замкнутых нейронных цепях - наиболее вероятный механизм феномена кратковременной памя­ти (см. раздел 6.6). Циркуляция возбуждения возможна в цепи нейронов и в пределах одного нейрона в результате контактов разветвлений его аксона с собственными дендритами и телом.

4. Одностороннее распространение возбуждения в нейронных цепях, рефлекторных дугах. Распространение возбуждения от аксона одного нейрона к телу или дендритам другого нейрона, но не обратно объясняется свойствами химических синапсов, которые проводят возбуждение только в одном направлении (см. раздел 4.3.3).

5. Замедленное распространение возбуждения в ЦНС по срав­нению с его распространением по нервному волокну объясняет­ся наличием на путях распространения возбуждения множества химических синапсов. Время проведения возбуждения через си­напс затрачивается на выделение медиатора в синаптическую щель, распространение его до постсинаптической мембраны,

возникновение ВПСП и, наконец, ПД. Суммарная задержка пе­редачи возбуждения в синапсе достигает примерно 2 мс. Чем больше синапсов в нейрональной цепочке, тем меньше общая скорость распространения по ней возбуждения. По латентному времени рефлекса, точнее по центральному времени рефлекса, можно ориентировочно рассчитать число нейронов той или иной рефлекторной дуги.

6. Распространение возбуждения в ЦНС легко блокируется оп­ределенными фармакологическими препаратами, что находит ши­рокое применение в клинической практике. В физиологических условиях ограничения распространения возбуждения по ЦНС связаны с включением нейрофизиологических механизмов тор­можения нейронов.

Рассмотренные особенности распространения возбуждения дают возможность подойти к пониманию свойств нервных центров.