VI. Роль почек в регуляции состава, объема и давления крови.
Роль почек в осмо- и волюморегуляции. Почки являются основным органом осморегуляции. Они обеспечивают выделение избытка воды из организма в виде гипотонической мочи при увеличенном содержании воды (гипергидратация) или экономят воду и экскретируют мочу, гипертоническую по отношению к крови, при обезвоживании организма (дегидратация). После питья воды или при ее избытке в организме снижается концентрация растворенных осмотически активных веществ в крови и падает ее осмолярность. Это уменьшает активность центральных осморецепторов, расположенных в области супраоптического ядра гипоталамуса, а также периферических осморецепторов, имеющихся в печени, почке и других органах, что приводит к снижению секреции АДГ нейрогипофизом и увеличению выделения воды почкой.
При обезвоживании организма увеличивается концентрация осмотически активных веществ в плазме крови, возбуждаются осморецепторы, усиливается секреция АДГ, возрастает всасывание воды в канальцах, уменьшается мочеотделение и выделяется осмотически концентрированная моча.
Уровень секреции АДГ определяется также активностью волюморецепторов, воспринимающих изменение объема внутрисосудистой и внеклеточной жидкости. Прежде всего это рецепторы левого предсердия, импульсы от которых передаются в ЦНС по афферентным волокнам блуждающего нерва. При увеличении кровенаполнения левого предсердия активируются волюморецепторы и угнетается секреция АДГ, что вызывает усиление мочеотделения.
Роль почек в регуляции ионного состава крови. В организме существуют системы регуляции баланса каждого из ионов. Для некоторых ионов описаны специфические рецепторы, например натриорецепторы. Рефлекторная регуляция транспорта ионов в почечных канальцах осуществляется как периферическими, так и центральными нервными механизмами.
Регуляция реабсорбции и секреции ионов в почечных канальцах осуществляется несколькими гормонами. Реабсорбция натрия возрастает в конечных частях дистального сегмента нефрона и собирательных трубочках под влиянием гормона коркового вещества надпочечника альдостерона. Этот гормон выделяется в кровь при уменьшении концентрации натрия в плазме крови и уменьшении объема циркулирующей крови. В усилении выделения натрия почкой участвует натрийуретический гормон, одним из мест образования которого является предсердие.
Секрецию калия в дистальном сегменте и собирательных трубочках усиливает альдостерон. При уменьшении концентрации кальция в крови паращитовидные железы выделяют паратгормон, который способствует нормализации уровня кальция в крови, в частности благодаря увеличению его реабсорбции в почечных канальцах и высвобождению из кости. При гиперкальциемии, стимулируется выделение в кровь клетками щитовидной железы кальцитонина, который способствует уменьшению концентрацииСа2+ в плазме крови
Роль почек в регуляции кислотно-основного состояния. Почки участвуют в поддержании постоянства концентрации Н+ в крови, экскретируя кислые продукты обмена. Активная реакция мочи у человека и животных может очень резко меняться в зависимости от состояния кислотно-основного состояния организма. Концентрация Н+ при ацидозе и алкалозе различается почти в 1000 раз, при ацидозе рН может снижаться до 4,5, при алкалозе – достигать 8,0. Это способствует участию почек в стабилизации рН плазмы крови на уровне 7,36. Механизм подкисления мочи основан на секреции клетками канальцев Н+.
При питании мясом образуется большее количество кислот и моча становится кислой, а при потреблении растительной пищи рН сдвигается в щелочную сторону. При интенсивной физической работе из мышц в кровь поступает значительное количество молочной и фосфорной кислот и почки увеличивают выделение «кислых» продуктов с мочой.
Почки играют ведущую роль в выделении из крови нелетучих конечных продуктов обмена и чужеродных веществ, попавших во внутреннюю среду организма. В процессе метаболизма белков и нуклеиновых кислот образуются различные продукты азотистого обмена (у человека – мочевина, мочевая кислота, креатинин и др.). Мочевая кислота в почке человека фильтруется в клубочках, затем реабсорбируется в канальцах, часть мочевой кислоты секретируется клетками в просвет нефрона. Интерес к изучению механизмов транспорта мочевой кислоты в почечных канальцах обусловлен резко возросшей частотой заболевания подагрой, при которой нарушен обмен мочевой кислоты.
В почках вырабатывается несколько биологически активных веществ, позволяющих рассматривать ее как инкреторный орган. Гранулярные клетки юкстагломерулярного аппарата выделяют в кровь ренин при уменьшении артериального давления в почке. В плазме крови ренин отщепляет от ангиотензиногена, находящегося главным образом во фракции α2-глобулина, физиологически неактивный пептид, что приводит к образованию сосудосуживающего вещество ангиотензина II. Он повышает артериальное давление благодаря сужению артериальных сосудов, усиливает секрецию альдостерона, увеличивает чувство жажды, что способствуют нормализации объема крови и артериального давления. Ренин-ангиотензин-альдостероновая система препятствует падению артериального давления, способствует увеличению объема внеклеточной жидкости, уменьшает потерю солей.
Почка является местом продукции эритропоэтина, стимулирующего эритропоэз в костном мозге. В почке вырабатывается брадикинин, являющийся сильным вазодилататором.
VII. Нервные и гуморальные механизмы регуляции мочеобразования.
Почка служит исполнительным органом в цепи рефлексов, обеспечивающих постоянство состава и объема жидкостей внутренней среды. В ЦНС поступает информация о состоянии внутренней среды, происходит интеграция сигналов и обеспечивается регуляция деятельности почек при участии эфферентных нервов или эндокринных желез. Работа почки подчинена не только безусловнорефлекторному контролю, но и регулируется корой большого мозга, т. е. мочеобразование может меняться условнорефлекторным путем. Анурия, наступающая при болевом раздражении, может быть воспроизведена условнорефлекторным путем. Механизм болевой анурии основан на раздражении гипоталамических центров, стимулирующих секрецию вазопрессина (он же АДГ) нейрогипофизом. Наряду с этим усиливаются активность симпатической части автономной нервной системы и секреция катехоламинов надпочечниками, что и вызывает резкое уменьшение мочеотделения вследствие как снижения клубочковой фильтрации, так и увеличения канальцевой реабсорбции воды.
Не только уменьшение, но и увеличение диуреза может быть вызвано условнорефлекторным путем. Многократное введение воды в организм собаки в сочетании с действием условного раздражителя приводит к образованию условного рефлекса, сопровождающегося увеличением мочеотделения. Механизм условнорефлекторной полиурии в данном случае основан на том, что от коры больших полушарий поступают импульсы в гипоталамус и уменьшается секреция АДГ. Импульсы, поступающие по адренергическим волокнам, стимулируют транспорт натрия, а по холинергическим – активируют реабсорбцию глюкозы и секрецию органических кислот. Механизм изменения мочеобразования при участии адренергических нервов обусловлен активацией аденилатциклазы и образованием цАМФ в клетках канальцев. Катехоламинчувствительная аденилатциклаза имеется в базолатеральных мембранах клеток дистального извитого канальца и начальных отделов собирательных трубок.
Лекция 20. Высшая нервная деятельность. Физиологические основы поведения.
I. Понятие о высшей нервной деятельности (ВНД). Врожденные формы поведения.
Высшей нервной деятельностью (ВНД) называют деятельность коры большого мозга и подкорковых структур, которая обеспечивает поведение человека и животных. Учение о физиологии ВНД было заложено Р. Декартом, И.М.Сеченовым и И.П.Павловым. Декарт ввел понятие рефлекса, но рассматривал лишь врожденные рефлексы (конец 17-го века). Сеченов ввел понятие приобретенных рефлексов или рефлексов головного мозга (60-е годы 19 века), считал, что они лежат в основе обучения. Павлов изучал механизмы формирования и торможения таких рефлексов, называя их условными рефлексами (начало 20-го века).
Комплексы врожденных (безусловных) рефлексов представляют собой инстинкты, которые обеспечивают одинаковые для всех особей вида генетически закрепленные формы поведения. Запускаются инстинкты в ответ на особые стимулы – релизеры. Инстинктивное поведение изучает этология (этология человека).
Выделяют следующие типы инстинктов (П.В.Симонов):
1) Витальные – неудовлетворение потребностей, их вызывающих приводит к гибели особи. Сюда относят:
a) пищевой и питьевой инстинкты;
b) инстинкты самосохранения (боязнь высоты);
c) экономии сил и т.д.
2) Ролевые – соответствующие им потребности могут быть удовлетворены только путем взаимодействия с другими особями того же вида. Сюда относят:
a) инстинкты репродуктивного и родительского поведения (релизером родительского поведения являются пропорции тела и невербальное поведение ребенка);
b) иерархический инстинкт;
c) территориальный инстинкт;
d) инстинкт агрессии.
3) Инстинкты саморазвития – обращены к будущему. Сюда относят:
a) исследовательский инстинкт (настолько силен, что новизна может служить поощрением);
b) стремление к обучению (проявляется в стремлении к игре, подражанию).
Приспособительное значение инстинктов заключается в обеспечении наиболее важных для выживания особи и вида жизненных функций. Так, даже агрессия, не только зло, но и та сила, которая обеспечивает выживание вида в целом. В природе у животных развиты механизмы, контролирующие агрессию, и лишь у человека, эти механизмы драматически отстают от развития средств агрессии.
II. Приобретенные формы поведения.
Инстинктивное поведение не обеспечивают полного приспособления к условиям меняющейся среды, поэтому в результате обучения приобретаются следующие формы поведения.
1. Габитуация (привыкание) и сенсибилизация (повышение чувствительности). Так мы можем привыкать к звуку капель воды, падающих из неисправного крана, но эти капли могут стать и основой пытки.
2. Импринтинг – наследственно запрограммированное обучение на ранних стадиях развития особи (утята следуют за первым подвижным предметом, который видят, вылупившись из яйца, дети в первые месяцы жизни запечатлевают образ и поведение родителей).
3. Условный рефлекс.
Условными рефлексами называют индивидуально приобретенные приспособительные реакции развивающиеся на основе превращения индифферентного раздражителя в сигнальный, значащий, благодаря многократному подкреплению раздражения безусловным стимулом. В процессе выработки рефлекса ранее индифферентный раздражитель ассоциируется в жизни организма с биологически важным событием и тем самым сигнализирует о наступлении этого события. Условные рефлексы отображают причинно-следственные связи мира, хотя могут стать основой и суеверного поведения. Условнорефлекторный механизм лежит в основе формирования любого приобретенного навыка, в основе процесса обучения.
Классические исследования Павлова о высшей нервной деятельности, были проведены с использованием рефлексов слюноотделения (эффекторное звено рефлекторной дуги – слюнные железы). Для выработки пищевого условного рефлекса животному предъявляют индифферентный по отношению к безусловному рефлексу слюноотделения стимул (например, световой или звуковой раздражитель) с последующим или одновременным подкреплением его безусловным раздражителем (пища). После ряда сочетаний индифферентный стимул становится условным и сам вызывает слюноотделение.
Для образования условного рефлекса необходимо соблюдение следующих правил:
1) индифферентный раздражитель (который должен стать условным, сигнальным) должен иметь достаточную силу для возбуждения определенных рецепторов;
2) необходимо, чтобы индифферентный раздражитель подкреплялся безусловным стимулом, причем индифферентный раздражитель должен либо несколько предшествовать, либо предъявляться одновременно с безусловным;
3) необходимо, чтобы раздражитель, используемый в качестве условного, был слабее безусловного;
4) необходимо также нормальное физиологическое состояние корковых и подкорковых структур, образующих центральное представительство соответствующего условного и безусловного стимулов, отсутствие сильных посторонних раздражителей, отсутствие значительных патологических процессов в организме.
Имеется много видов условных рефлексов. Так, по способности человека или животного изменять вероятность подкрепления, по активности различают:
1. классические условные рефлексы. Человек и животное лишь ожидают подкрепление. Реакция (выделение слюны не оказывает никакого влияния на его получение);
2. оперантные условные рефлексы. Для того чтобы получить подкрепление необходимо выполнить действие (сделать работу, например, нажать на педаль).
По знаку подкрепления различают:
1. рефлексы с положительным подкреплением (пища или другое поощрение, поглаживание, доброе слово);
2. рефлексы с отрицательным подкреплением (боль, резкий звук).
Наконец, различают условные рефлексы первого, второго, третьего и т. д. порядка. Если условный стимул (свет) подкрепляется безусловным (пища), образуется условный рефлекс первого порядка. Условный рефлекс второго порядка образуется, если условный стимул подкрепляется не безусловным, а условным раздражителем, на который ранее был образован условный рефлекс (жетоны у обезьян, деньги у людей).
К условным рефлексам второго и более высокого порядка относятся условные рефлексы, вырабатываемые на словесный сигнал (слово представляет здесь сигнал, на который ранее был образован условный рефлекс при подкреплении его безусловным стимулом).
Если факторы среды меняются, и прежнее поведение перестает быть адекватным, условные рефлексы тормозятся. Торможение может быть безусловным, которое представлено следующими видами:
1. Внешнее торможение условного рефлекса – возникает под действием постороннего условного или безусловного раздражителя.
2. Запредельное торможение условного рефлекса – развивается либо при чрезмерно большой силе стимула, либо при неблагоприятном функциональном состоянии центральной нервной системы, на уровне которого обычные пороговые раздражители приобретают характер чрезмерных, сильных. Запредельное торможение имеет охранительное значение.
Условное (внутреннее) торможение условного рефлекса требует специальной выработки. Различают следующие его виды:
1. Угасание. Если условный раздражитель предъявляется без подкрепления безусловным, то через некоторое время после изолированного применения условного стимула реакция на него угасает (изменение планировки в комнате);
2. Дифференцировка. Если у животного или человека с выработанным условным рефлексом на определенную частоту звукового стимула (например, тон с частотой 500 Гц в секунду) близкие раздражители (тон 450 или 550 Гц) не подкреплять, то условнорефлекторная реакция на последние угнетается (так, голубей научили различать картина Матисса и Пикассо);
3. Условный тормоз. Если условный стимул, на который образован условный рефлекс, применяется в комбинации с некоторым другим стимулом и их комбинация не подкрепляется безусловным стимулом, наступает торможение условного рефлекса, вызываемого этим стимулом.
4. Запаздывание. Наступает тогда, когда подкрепление условного сигнала безусловным раздражителем осуществляется с большим опозданием (2–3 мин) по отношению к моменту предъявления условного раздражителя.
Условные рефлексы складываются в динамический стереотип, который делает нервную деятельность экономной и высокоэффективной, поскольку каждая предыдущая реакция в этом случае подготавливает последующую (пример – навыки спортивные или художественные, тренировки спецназа).
III. Механизмы и закономерности формирования и торможения условных рефлексов
Физиологический механизм, лежащий в основе условного рефлекса, схематически представлен на рис. 20.1. В зоне коркового представительства условного стимула и коркового (или подкоркового) представительства безусловного стимула формируются два очага возбуждения. Очаг возбуждения, вызванный безусловным стимулом внешней или внутренней среды организма, как более сильный (доминантный) притягивает к себе возбуждение из очага более слабого возбуждения, вызванного условным стимулом. После нескольких повторных предъявлений условного и безусловного раздражителей между этими двумя зонами «проторяется» устойчивый путь движения возбуждения: от очага, вызванного условным стимулом, к очагу, вызванному безусловным стимулом. В результате изолированное предъявление только условного стимула теперь приводит к реакции, вызываемой ранее безусловным стимулом.
Рис. 20.1. Схема образования условного рефлекса по И.П. Павлову.
Данные современной нейрофизиологии указывают на возможность разных уровней замыкания, формирования условно-рефлекторной связи (кора – кора, кора – подкорковые образования, подкорковые образования – подкорковые образования) при доминирующей роли в этом процессе корковых структур. Предполагают, что на нейронном уровне основой временной связи являются синапсы в корковых нейронных цепях (в основном, глутаматергические), чья эффективность изменяется под действием медиаторов моноаминов (ДА, СТ и НА).
В формировании, укреплении условного рефлекса различают две стадии.
1. Стадия генерализованного условного возбуждения является продолжением более общей универсальной реакции организма на любой новый для него раздражитель, представленной безусловным ориентировочным рефлексом. Внешне ориентировочная реакция, названная И. П. Павловым рефлексом «что такое?», проявляется у животного в настораживании, повороте глаз и головы в сторону стимула. Такая реакция – результат иррадиации возбуждения из очага начального возбуждения, вызванного действующим агентом, на окружающие центральные нервные структуры. Начальная стадия образования условного рефлекса состоит в формировании временной связи не только на данный конкретный условный раздражитель, но и на все родственные ему по характеру стимулы. На начальной стадии, характеризуемой обобщенной генерализованной реакцией, условнорефлекторный ответ наблюдается на сходные, близкие по смыслу стимулы.
2. Концентрация условного возбуждения: условнорефлекторная реакция наблюдается лишь на заданный стимул. На стадии концентрации условного возбуждения происходит локализация возбудительного процесса только в зоне центрального представительства условного стимула
IV. Память, ее виды и механизмы.
Памятью называют процесс запечатления, хранения и воспроизведения информации. В результате процесса научения возникают физические, химические и морфологические изменения в нервных структурах, которые называют «энграмма» (след).
Виды памяти классифицируют по форме проявления, по временной характеристике, или продолжительности (мгновенная, кратковременная, долговременная).
По форме проявления различают:
Образная память – проявляется формированием, хранением и воспроизведением ранее воспринятого сенсорного образа реального сигнала, его нервной модели.
Эмоциональной памятью воспроизведение некоторого пережитого ранее эмоционального состояния при повторном предъявлении сигнала, вызвавшем первичное возникновение такого эмоционального состояния. Эмоциональная память характеризуется высокой скоростью и прочностью.
Двигательная память – память на сложные последовательности движений, двигательные навыки.
Логическая (словесно-логическая, семантическая) память – имеющаяся лишь у человека память на словесные сигналы, обозначающие как внешние объекты и события, так и вызванные ими ощущения и представления.
По временной характеристике различают:
1. Мгновенная (иконическая) память заключается в образовании мгновенного отпечатка, следа действующего стимула в рецепторной структуре. Этот отпечаток, отличается полнотой признаков (отсюда и название «иконическая память», т. е. четко проработанное в деталях отражение) действующего сигнала, но хранится не более 100 – 150 мс. Нейро физиологический механизм иконической памяти, очевидно, заключается в следовых потенциалах, формирующихся на базе рецепторного электрического потенциала. Иконическая память хранит в себе несравненно больший объем информации, чем может быть использовано и реально используется на последующих этапах переработки сигналов.
2. Кратковременная (первичная) память – оперативная память, обеспечивающая выполнение текущих поведенческих и мыслительных операций. В основе кратковременной памяти лежит повторная многократная циркуляция (реверберациия) импульсных разрядов по круговым замкнутым цепям нервных клеток. В результате образуются непродолжительные обратимые изменения физико-химических свойств мембраны, а также динамики медиаторов в синапсах. Продолжительность кратковременной памяти составляет секунды, минуты после непосредственного действия сигнала.
3. Долговременная (вторичная и третичная) память. Вторичная память хранит информацию многие годы, при этом извлечение информации медленное). Третичная память хранит информации всю жизнь, и извлекается информация быстро (имя, умение читать и писать и т. д.). В основе долговременной памяти лежат явления подобные долговременной потенциации глутаматергической синаптической передачи и последующие сложные химические процессы синтеза белковых молекул в клетках головного мозга. Важную роль также играет взаимодействие медиаторов, например ацетилхолина и других моноаминов с рецепторными белками постсинаптической мембраны (поэтому эмоционально окрашенные события запоминаются лучше). Ключевую роль в переходе информации из кратковременной в долговременную память играет гиппокамп. При его повреждении развивается антероградная амнезия.
По мнению Хидена, информация, лежащая в основе долговременной памяти, приводит к перестройке молекулы РНК, к специфическим для каждого сигнала перемещениям нуклеотидов в их цепи. Этот процесс находит отражение в синтезе белка. При этом молекула белка становится чувствительной к специфическому узору импульсного потока, тем самым она как бы узнает тот афферентный сигнал, который закодирован в этом импульсном паттерне. В результате происходит освобождение медиатора в соответствующем синапсе, приводящее к передаче информации с одной нервной клетки на другую в системе нейронов, ответственных за фиксацию, хранение и воспроизведение информации.
В обеспечении нейрофизиологических механизмов долговременной памяти могут участвовать глиальные клетки, число которых в центральных нервных образованиях на порядок превышает число нервных клеток. На стадии образования и упрочения условного рефлекса в прилегающих к нервной клетке глиальных клетках усиливается синтез миелина, который окутывает концевые тонкие разветвления аксонного отростка и тем самым облегчает проведение по ним нервных импульсов, в результате чего повышается эффективность синаптической передачи возбуждения.