Руководство Молодые нейроны в формирующемся переднем мозге личинки муксуна на



жүктеу 3.62 Mb.
Pdf просмотр
бет1/33
Дата09.09.2017
өлшемі3.62 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   33

НЕЙРОН

Обработка сигналов.

Пластичность. Моделирование

Фундаментальное руководство



Молодые нейроны в формирующемся переднем мозге личинки муксуна на

30-й день после вылупления. В вентрикулярной зоне видно образование новых

нейроцитов путем деления нейральных прогениторов — клеток-предшествен-

ников. Темным окрашены хромосомы, находящиеся в делящихся клетках в

различных фазах митоза 

(Лаборатория реконструкции биосистем биологи-

ческого факультета ТюмГУ, 2005 г.).


РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО ТЮМЕНСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «ОБРАЗОВАНИЕ»

ИННОВАЦИОННАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ТюмГУ

ЦЕНТР ТРАНСЛЯЦИИ И ЭКСПОРТА ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ

Александров Ю. И., Анохин К. В., Безденежных Б. Н.,

Гарина Н. С., Греченко Т. Н., Латанов А. В.,

Палихова Т. А., Савельев С. В., Соколов Е. Н.,

Тушмалова Н. А., Филиппов В. А., Черноризов А. М.

НЕЙРОН

Обработка сигналов.



Пластичность. Моделирование

Фундаментальное руководство

Издательство

Тюменского государственного университета

2008

ООО «Компания Мир», 2008



Выполнено в рамках Инновационной

образовательной программы ТюмГУ



УДК 612.8.01(075.8)

ББК Е991я73

Н463

Ю. И. Александров, К. В. Анохин, Б. Н. Безденежных, Н. С. Гарина,

Т. Н. Греченко, А. В. Латанов, Т.  А. Палихова, С. В. Савельев, Е. Н. Со-

колов, Н. А. Тушмалова, В. А. Филиппов, А. М. Черноризов. НЕЙРОН.

ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ. ПЛАСТИЧНОСТЬ. МОДЕЛИРОВАНИЕ: Фунда-

ментальное руководство. Тюмень: Издательство Тюменского государственного

университета, 2008. 548 с.

Предназначено для студентов, включая бакалавров и магистров, по на-

правлениям и специальностям высшего профессионального образования «Био-

логия», «Физиология», «Биоинженерия и биоинформатика», «Психология», «Кли-

ническая психология», «Автономные информационные и управляющие систе-

мы», «Автоматизированные системы обработки информации и управления», а

также для аспирантов и специалистов, работающих в областях биологии клет-

ки, нейробиологии, психофизиологии, физиологии высшей нервной деятельно-

сти, математической биологии и биоинформатики, вычислительных нейронаук

и моделирования нейросистем.

Подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы ТюмГУ

«Формирование инновационного научно–образовательного комплекса Тюмен-

ского государственного университета для обеспечения эффективности природо-

пользования в условиях интенсивного освоения ресурсов Западной Сибири».

Под редакцией



Е. Н. Соколова,  В. А. Филиппова, А. М. Черноризова

Рецензенты:



В. Н. Кутрунов, доктор физико-математических наук,

профессор, заведующий кафедрой алгебры и математической

логики Института математики и компьютерных наук

Тюменского государственного университета



С. С. Трофимов, доктор биологических наук, ведущий

научный сотрудник лаборатории психофармакологии

ГУ НИИ Фармакологии им. В. В. Закусова РАМН

В. В. Шульговский, доктор биологических наук, профессор,

заведующий кафедрой высшей нервной деятельности

биологического факультета Московского государственного

университета им. М. В. Ломоносова



ISBN 978-5-400-00005-8

©

ГОУ ВПО Тюменский государственный университет, 2008



©

Ю. И. Александров, К. В. Анохин, Б. Н. Безденежных,

Н. С. Гарина, Т. Н. Греченко, А. В. Латанов, Т.  А. Палихова,

С. В. Савельев, Е. Н. Соколов, Н. А. Тушмалова,

В. А. Филиппов, А. М. Черноризов, 2008


5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Сведения об авторах руководства ................................................................................... 6

Предисловие ............................................................................................................................ 8



Раздел I. НЕЙРОН КАК БАЗОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ

НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Глава 1. Нейронная доктрина .......................................................................................... 12

Глава 2. Активный нейрон .............................................................................................. 33

Раздел II. НЕЙРОН В ФИЛОГЕНЕЗЕ

Глава 3. Память донервных организмов (о физиологических механизмах

поведения простейших) .............................................................................................. 60

Глава 4. Происхождение нервных клеток ................................................................. 72



Раздел III. ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В НЕЙРОНЕ,

НЕЙРОПЛАСТИЧНОСТЬ И ПАМЯТЬ

Глава 5. Мембранная нейрорецепция ......................................................................... 94

Глава 6. Электрическая активность нейрона .......................................................... 132

Глава 7. Синаптическая передача сигналов ............................................................ 197

Глава 8. Синаптическая пластичность ...................................................................... 228

Глава 9. Нейрогенетический механизм формирования следа

долговременной памяти ........................................................................................... 247

Глава 10. Нанонейроника памяти ............................................................................... 268



Раздел IV. ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИE

РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ НЕЙРОЦИТОВ

(СЕНСОРНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ, ПЕЙСМЕКЕРНЫЕ НЕЙРОНЫ, ГЛИЯ)

Глава 11. Рецепция в сенсорных системах: механорецепция,

хеморецепция, терморецепция, ноцицепция ...................................................... 280

Глава 12. Рецепция в сенсорных системах: фоторецепторы .............................. 292

Глава 13. Пейсмекерная активность нейронов:

происхождение и функции ..................................................................................... 324

Глава 14. Глия: морфология, физиология и функции .......................................... 433

Раздел V. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЙРОНА

Глава 15. Нейрон как объект моделирования ........................................................ 468

Глава 16. Простые формальные модели нейрона .................................................. 490

Глава 17. Биологически правдоподобные модели обработки сигналов

нейроном ....................................................................................................................... 512

Глава 18. Портретные модели нейронов ................................................................... 535



6

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ РУКОВОДСТВА:



Александров Юрий Иосифович  доктор психологических наук, про-

фессор, заведующий лабораторией нейрофизиологических основ психики

им. В. Б. Швыркова Института психологии РАН 

(Глава 2).

Анохин Константин Владимирович — доктор биологических наук,

профессор, член-корреспондент РАН, член-корреспондент РАМН, заведую-

щий отделом системогенеза Научно-исследовательского института нормаль-

ной физиологии имени П. К. Анохина Российской академии медицинских

наук, руководитель Российско-Британской лаборатории нейробиологии па-

мяти 


(Глава 9).

Безденежных Борис Николаевич  доктор психологических наук, ве-

дущий научный сотрудник лаборатории нейрофизиологических основ психики

им. В. Б. Швыркова Института психологии РАН 

(Глава 1).

Гарина Наталья Сергеевна — кандидат биологических наук, ведущий

научный сотрудник кафедры высшей нервной деятельности биологического

факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

(Глава 12).

Греченко Татьяна Николаевна — доктор психологических наук, веду-

щий научный сотрудник лаборатории нейрофизиологических основ психики

им. В. Б. Швыркова Института психологии РАН 

(Глава 13).

Латанов Александр Васильевич — доктор биологических наук, про-

фессор кафедры высшей нервной деятельности биологического факультета

Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова 

(Главы 5 и

6, параграфы 7.2.3.2 и 7.3 главы 7, глава 8 (совместно с Т. А. Палиховой),

глава 11).

Палихова  Татьяна Анатольевна — кандидат биологических наук,

старший научный сотрудник факультета психологии Московского государ-

ственного университета им. М. В. Ломоносова 

(Глава 7, за исключением

параграфов 7.2.3.2 и 7.3, глава 8 (совместно с А. В. Латановым),

Савельев Сергей Вячеславович  доктор биологических наук, профес-

сор, руководитель отдела эмбриологии, руководитель лаборатории развития

нервной системы НИИ морфологии человека РАМН 

(Глава 4).

Соколов Евгений Николаевич — доктор биологических наук, заслу-

женный профессор Московского государственного университета им. М. В. Ло-

моносова, академик РАО, приглашенный профессор Массачусетского техноло-

гического института, член Национальной Академии наук США, член Акаде-

мии наук Финляндии, Почетный член Международной ассоциации

психофизиологов, член Центрального совета Международной организации по

исследованию мозга при ЮНЕСКО 

(Глава 10).


7

Тушмалова Нина Александровна — доктор биологических наук, про-

фессор, заведующий лабораторией «Эволюция механизмов памяти» кафедры

высшей нервной деятельности биологического факультета Московского госу-

дарственного университета им. М. В. Ломоносова 



(Глава 3).

Филиппов Вадим Анатольевич — кандидат социологических наук, про-

ректор Тюменского государственного университета по новым образовательным

и информационным технологиям 

(Раздел 5 — главы 15, 16, 17, 18).

Черноризов Александр Михайлович  доктор психологических наук,

профессор, заведующий кафедрой психофизиологии факультета психологии

Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова 

(Глава 14).


8

Светлой памяти академика

Евгения Николаевича Соколова посвящается

ПРЕДИСЛОВИЕ

Клеточная теория строения нервной системы («нейронная доктри-

на»), сформулированная в жарких дискуссиях конца XIX в., остается

концептуальным ядром современных наук о мозге. Это знаменательным

образом отражено в собирательном термине «нейронауки», используе-

мом в настоящее время для обозначения широкого спектра научных

дисциплин, нацеленных на изучение разных аспектов клеточной актив-

ности, — нейрофизиологии, биохимии, биофизики, молекулярной био-

логии, нейрогенетики, нейроэндокринологии и многих других. Нейрон и

другие клетки нервной системы (рецепторы, глия) «смотрятся в зеркала»

такого большого числа разных наук, что возникает необходимость со-

брать все эти «отображения» в единый «образ». Эту сложную задачу и

ставит перед собой руководство.

 Конечная цель данного и последующих изданий книги — создать

постоянно обновляющийся «корпус» данных о нейроне и нервной ак-

тивности. Нарастающий по экспоненте объем этих данных, которые

можно уподобить «разбегающейся Вселенной», не могут быть охваче-

ны арифметическим образом, но только на системной основе. В каче-

стве «системобразующих» тем для фундаментального руководства мы

выбрали те области знаний о нейроне, которые революционизировали

классическую «нейронную доктрину», трансформировав ее в «нейрон-

ную доктрину XXI века». Среди этих тем теоретического и фактологи-

ческого плана выделим следующие.

— Системные представления о нейроне как «активном», а не «ре-

активном» элементе нейронной сети 



(Раздел 1).

— Данные сравнительно-анатомических и нейробиологических

исследований организмов с донервной организацией (простейших),

проливающие свет на происхождение и эволюцию нервных клеток



(Раздел 2).

— Современные данные молекулярной биологии о мембранных

механизмах нейрорецепции, сигнальных системах первичных и вто-

ричных мессенджеров 



(Раздел 3, глава 5).

— Данные нейрофизиологии об ионных механизмах генерации

локальных постсинаптических потенциалов и потенциалов действия,


9

механизмах их пространственно-временной суммации и проведения



(Раздел 3, глава 6).

— Данные электрофизиологии и молекулярной биологии о механиз-

мах пре- и постсинаптической пластичности 

(Раздел 3, главы 7 и 8).

— Исследования роли генома и других субклеточных структур

(шипиков дендрита, пресинаптических бутонов, нейрофиламентов) в

формировании следов памяти и даже сознательного поведения 



(Раз-

дел 3, глава 9). Клеточные операции, которые определяются этими

«нанообъектами», реализуются на молекулярном и субмолекулярном

уровнях и являются предметом изучения для нового направления в

нейронауках — «нанонейроники» 



(Раздел 3, глава 10).

— Данные анатомии и электрофизиологии, касающиеся сходств и

различий трансдукции сигналов в классических нейронах (мембран-

ной нейрорецепции), пейсмекерных нейронах и сенсорных рецепторах



(Раздел 4, главы 11–13).

— Данные нейрофизиологии и молекулярной биологии, вскрываю-

щие важную роль глии в процессах памяти, обучения и мышления. Это

кардинально меняет традиционную точку зрения на клетки глии как

на «вспомогательные» элементы (клетки-спутники) нервной системы

(Раздел 4, глава 14).

— Современные представления о моделировании нейрона, которое

в настоящее время приобретает все большую актуальность, являясь,

во-первых, эффективным инструментом нейробиологических исследо-

ваний нервной клетки как чрезвычайно сложной динамической систе-

мы, а во-вторых, — базой для создания искусственных нейросетевых

интеллектуальных систем. Объединение в издании данных о живом

нейроне и о технологиях его моделирования с помощью средств вычис-

лительной техники стало одним из подходов, принятых при создании

настоящего руководства 



(Раздел 5).

По единодушному решению авторского коллектива книга посвяща-

ется светлой памяти Евгения Николаевича Соколова (1920-2008), зас-

луженного профессора МГУ имени М. В. Ломоносова, академика РАО,

члена Национальной Академии наук США и Американской Академии

наук и искусств, Академии наук Финляндии, лауреата самой высокой

награды Международной психофизиологической ассоциации — «Пре-

мии столетия—1998». Е. Н. Соколов — лидер одной из ведущих школ

в отечественной психофизиологии, ученый с мировым именем, актив-

ный организатор нейронаук в России и за рубежом. С его именем

связаны фундаментальные исследования в области психофизиологии,


10

нейрофизиологии и моделирования мозговых механизмов высших пси-

хических функций. Евгений Николаевич придавал огромное значение

изучению нейронной активности мозга и на I Международном психо-

физиологическом конгрессе в 1982 г. (г. Монреаль), вместе с другой

легендой нейронауки Х. Дельгадо, провидчески отстаивал определение

психофизиологии как науки о нейронных механизмах психических

процессов и состояний. Светлая память о нашем Учителе Евгении Ни-

колаевиче Соколове навсегда сохранится в наших сердцах и наших

делах.


Авторы руководства выражают глубокую признательность руко-

водству Тюменского государственного университета за приглашение

участвовать в этом крайне актуальном и перспективном издании.

Редакционный совет


Раздел I. НЕЙРОН

КАК БАЗОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ

НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ


12

Глава 1. НЕЙРОННАЯ ДОКТРИНА



Глава посвящена описанию строения и функции нейрона. Пред-

варительно дана историческая справка о возникновении такой

научной проблемы, как нейронная доктрина. Представлены ос-

новные положения доктрины. Описаны основные внутринейрон-

ные включения и их роль в поддержании активности нейрона.

Показана роль мембранных белков в обеспечении целостности

нейрона и его функций. Описаны концепции возникновения потен-

циала покоя и потенциала действия на мембране нейрона.

1.1. История формирования и основные положения

нейронной доктрины

В 1838 г. два немецких ученых — Матиас Джакоб Шлейден и

Теодор Шванн — сформулировали смелую для того времени клеточ-

ную теорию, смысл которой заключался в том, что все растительные,

органические ткани, в том числе и нервная ткань, состоят из клеток.

Дальнейшее развитие клеточной теории применительно к нервной тка-

ни развивалось итальянским анатомом Камилло Гольджи, испанским

гистологом Сантьяго Рамон-и-Кахалом и другими выдающимися мор-

фологами XIX в.

 Авторы показали, что нейроны в отличие от сомати-

ческих клеток имеют отростки, аксоны и дендриты, с помощью кото-

рых нервные клетки соединяются друг с другом (Шеперд, 1987). Одна-

ко на прокрашенных по методу Гольджи препаратах мозга им не удалось

увидеть реальных связей между нейронами. Причиной являлись мие-

линовые клетки, обволакивающие отростки нейронов. Поэтому у двух

великих ученых — Кахала и Гольджи, — получивших за свои иссле-

дования общую Нобелевскую премию, были существенные разногла-

сия относительно принципов строения нервной системы.

Гольджи считал, что отростки нейронов представляют обширную

сеть анастамозов в сером веществе, которые объединяют нейроны друг

с другом, — 



ретикулярная гипотеза. Сторонники ретикулярной ги-

потезы считали, что по этим анастамозам нейроны могут обмениваться

веществами плазмы.

Кахал отстаивал точку зрения о том, что нейроны изолированы

друг от друга и являются структурными элементами ЦНС. Какие для

этого были доказательства?

1) Кахал улучшил гистологическую технику Гольджи, а для препа-

ратов брал мозги молодых животных и мозги птиц, в которых было



13

большое количество немиелинизированных аксонов. На основании ри-

сунков своих препаратов различных областей мозга Кахал показал,

что между нейронами нет непрерывной связи. 2) Существуют эмбрио-

логические доказательства того, что нейроны не переходят один в дру-

гой с помощью отростков. Так, Вильгельм Гис, как и Рамон-и-Кахал, в

1886 г. документально доказал, что дендриты и аксоны в мозге эмбри-

онов растут более интенсивно у незрелых нейронов. Отсюда и гипоте-

за, что между нейронами существуют контакты, стала более вероят-

ной, чем гипотеза анастамозов. В то же время Гис считал, что ученые

придут к идее непрямой передачи возбуждения между нейронами.

3) Еще одним доказательством контактной связи между нейронами яв-

ляется открытие швейцарского ученого Августа-Генри Фореля. В 1886 г.

он обнаружил, что если разрушено тело нейрона или перерезан аксон,

то дегенеративные процессы нейрона заканчиваются в местах его кон-

такта с другими нейронами. Этот факт дал окончательные и убеди-

тельные основания утверждать о морфологически раздельном суще-

ствовании нейронов.

После длительной дискуссии относительно природы связей между

нейронами в ЦНС немецкий анатом Генрих Вильгельм вон Вальдейер

написал в 1891 г. серьезный научный обзор, в котором подверг резкой

критике идеи ретикулярного принципа строения нервной системы. Он

полностью обосновал и поддержал идею Кахала и, основываясь на

работах Форела, Гиса и других ученых, дал ей название нейронная

доктрина или нейронная теория (Шеперд, 1987).

Нейронная доктрина основана на целом ряде принципов.

1) Нейрон является структурной и функциональной единицей нервной

системы. Нервная клетка имеет несколько протоплазматических выро-

стов (дендриты) и одно волокно, или осевой цилиндр (аксон), который

на конце разветвляется на множество коллатералей (Рис. 1.1). Колла-

терали аксона контактируют с другими нервными клетками. Термин

«дендрит» был предложен Гисом в 1889 г., «аксон» — Колликером в

1896, «нейрон» — Вальдейером в 1891 г. Нейроны являются отдельны-

ми клетками, которые не переходят один в другой ни анатомически, ни

генетически.

2) Нейрон является эмбриологической единицей (единицей разви-

тия). Показано, что аксон и дендриты нервной клетки растут от тела

клетки во время всего эмбрионального развития и их рост завершается

свободными окончаниями. Кахал обнаружил, что на конце растущего

отростка имеется утолщение — растущий конус. Позднее Харрисон



14

(1907) показал, что растущие конусы способны совершать амебовид-

ные движения, чтобы достичь конечной цели.

Рис. 1.1. Пирамидный нейрон (Cotman, McGaugh, 1980)

3) Кахал выявил характерные структуры на дендритах, которые по

их виду были названы им «шипиками» (Рис. 1.2). Позднее будет дока-

зано, что шипики являются частью синаптического аппарата на денд-

ритах. При обучении количество шипиков увеличивается. Кахал пред-

положил, что увеличение шипиков на дендритах может быть связано с

обучением и формированием памяти.

4) Нейрон является метаболической (трофической) единицей: дис-

тальный отдел нервного волокна дегенерирует в результате перерезки

нервного волокна (антероградная дегенерация, Waller, 1852). После



15

перерезки клетки наблюдается атрофия тела клетки (ретроградная де-

генерация, Gudden, 1870). Однако дегенерация не распространяется за

пределы поврежденного нейрона.



Рис. 1.2. Шипики на дендритах (Фотография Кахала)

5) Нервная система состоит из популяции нейронов, организован-

ных в функциональные системы (Шеперд, с. 29).

6) В рамки нейронной доктрины включен и закон динамической

поляризации, сформулированный Кахалом. Согласно этому закону

потенциалы действия или возбуждение идет в одном направлении — в

основном от рецептивной поверхности дендритов по телу и от тела на

аксон — и завершатся на разветвлениях, контактирующих с другими

нейронами. Закон основан на описании связей между нейронами в

спинном мозге, мозжечке, гиппокампе, обонятельной луковице и сет-

чатке. Этот закон выступает, по мнению Кахала, как основной прин-

цип функционирования нервных связей.

7) В 1943 У. С. Мак-Каллок и У. Питтс добавили, что в рамках

информационной парадигмы нейрон является основной единицей об-

работки информации.

8) Окончательным подтверждением нейронной доктрины стало под-

тверждение существования синапсов с помощью электронной микро-

скопии (Palade and Palay, 1954; DeRobertis, 1954).

1.2. Ранние представления о функции нейрона

Помимо структурного описания нейрона как единицы нервной си-

стемы, исследователи 19 века пытались выяснить и функциональные

особенности нейронов. Так, Кахал считал вполне вероятным, что «пси-

хические упражнения», т.е. обучение, ведут к усиленному росту ней-


16

ронных отростков, сопроводив свою идею довольно колоритной анало-

гией. Он писал, что «свободное разветвление способных расти отрост-

ков нервных клеток можно рассматривать как совершенно очевидный

факт. Постоянная раз и навсегда установленная система, например,

телеграфная сеть, без возможности установления в ней новых станций

или новых линий остается ригидной и немодифицируемой, что проти-

воречит нашему представлению о мозге как структуре, легко претерпе-

вающей изменения в определенных рамках при ментальных упражне-

ниях и особенно в период развития. Если прибегнуть к свободной ана-

логии, то мы можем сказать, что кора мозга подобна саду с огромным

количеством деревьев — пирамидных клеток, у которых, благодаря

разумной культивации, разрастаются ветви (

дендриты) и углубляют-

ся корни (



ответвления аксонов), что способствует появлению все

большего количества и разнообразия цветов и плодов» (цит. по

Rosenzweig, 1996).

У Рамон-и-Кахала соединения между нейронами еще не имели

своего названия. Название «синапс» ввел Шеррингтон в 1897 г. Он

также считал, что синапс выполняет основную роль в механизмах обу-

чения: «Лишенная возможностей воспроизведения и размножения са-

мой себя с помощью митоза или каким-то другим способом, нервная

клетка направляет свою затаенную энергию на увеличение своих свя-

зей с другими клетками в ответ на события, которые ее возбудили.

Следовательно, в отличие от других тканей нервная ткань способна

обучаться» (цит. по Rosenzweig, 1996).

1.3. Строение нейрона

Для вхождения в проблему активности нейрона в ЦНС (центральная

нервная система) необходимо кратко остановиться на его морфологии.

Мембрана нейрона.

Нейроны обладают высоким уровнем морфологической и функцио-

нальной специализации, и первый уровень специализации проявляется

в структуре и динамике его мембраны. Как показывают результаты

электронной микроскопии, плазматическая мембрана нейронов имеет

такое же строение, что и у соматических клеток: она построена из липи-

дов и протеинов (цепочек аминокислот) (Рис. 1.3). Основная структура

мембраны двухслойная и представляет собой «сэндвич» из фосфолипи-

дов, которые расположены таким образом, что полярные (заряженные)

части прилежат к наружной части мембраны, а незаряженные части

направлены вовнутрь клетки. Такая организация максимизирует число


17

гидрофобных и гидрофильных соединений, которые могут формиро-

вать и делать относительно прочной и очень тонкой оболочку, непро-

ницаемую для большинства полярных молекул или ионов. Мембрана

является динамичной, и часто ее описывают как «жидко-мозаичную»

структуру (Singer, Nicolson, 1972). Липиды свободно диффундируют с

одного участка на другой, обеспечивая тем самым мембране свойства

жидкости. Два жидких липидных слоя мембраны (наружный и внут-

ренний) позволяют свободно плавать в ней специализированным бел-

кам и выполнять им свои функции. Белки могут проникать через оба

слоя, образуя каналы для транспорта через них ионов и небольших

молекул. Такие «интегральные белки» часто формируют межмембран-

ные структуры. Другие, «периферические белки», локализованы толь-

ко в наружной или внутренней мембранах, они подвижны и выполня-

ют определенные функции. В жидкой мембране белки часто рассмат-

риваются как частицы мембраны, произвольно плавающие в море

липидов. Следует отметить, что белки, проникающие через оба слоя

мембраны, находясь одним концом снаружи, а другим внутри клетки,

превращают участки мембраны в функциональные единицы, обеспечи-

вающие определенные потребности нейрона.



Рис. 1.3. Схема строения мембраны нейрона

18

Мембрана нейрона неоднородна, некоторые авторы выделяют в ней

такие специфические участки, как дендритную зону с большим коли-

чеством синаптических контактов и пресинаптическую зону аксона.

Кроме того, мембрана нейрона является асимметричной. На ее наруж-

ной части (как и на мембране соматических клеток) находится боль-

шое количество карбогидратов сиаловой кислоты, которые обеспечива-

ет отрицательный заряд наружной поверхности мембраны.



Белки мембраны.

По своей функции делятся на насосы, каналы, рецепторы, ферменты и

структурные белки. Насосы обеспечивают перемещение ионов и молекул

против концентрационных градиентов и поддержание их необходимых

концентраций в клетке. Поскольку заряженные молекулы не могут прой-

ти через двойной липидный слой, в мембранах есть набор специфических

белковых канальцев, по которым вовнутрь клетки проходят определенные

ионы. Клеточные мембраны с помощью рецепторных белков узнают и

прикрепляют к себе разные молекулы. Ферменты размещаются внутри

мембраны или на ней и облегчают протекание химических реакций у

поверхности мембраны, например АТФаза, которая расщепляет АТФ —

универсальную единицу топлива — для обеспечения теплом локальных

химических процессов. Структурные белки обеспечивают соединение клеток

в органы и поддержание субклеточной структуры. Не у всех мембранных

белков функция жестко фиксирована. Некоторые белки могут выполнять

одновременно функции рецептора, фермента и насоса.

Кроме ионных насосов и канальцев, для выполнения основных фун-

кций нейронам требуются и другие белки. Одним из таких белков явля-

ется фермент аденилатциклаза, который регулирует внутриклеточную

концентрацию циклического аденозинмонофосфата (циклического

АМФ — цАМФ). Циклические нуклеотиды, такие, как цАМФ, называ-

ют «вторичными мессенджерами». Внутри клетки цАМФ «собирает» ин-

формацию от первичных мессенджеров (нейромедиаторов) и подготав-

ливает цитоплазму к возможным изменениям ее метаболизма. Основная

гипотеза заключается в том, что повышение концентрации цАМФ в от-

вет на поступление на постсинаптические рецепторы таких нейромеди-

аторов, как норадреналин и дофамин, ведет к повышению активности

протеинкиназы, которая (1) фосфорилирует определенные белки мемб-

раны и изменяет проницаемость мембраны, (2) изменяет метаболичес-

кие процессы в клетке за счет активации и индукции некоторых фер-

ментов и белков. Общее заключение: цАМФ каким-то образом устанав-

ливает уровень возбудимости нейрона (Cotman, McGaugh, 1980)



19

Понимание функций мембранных белков — один из этапов на

пути к пониманию функций нейрона. Подобно всем другим клеткам

организма, в нейроне поддерживается постоянство внутренней среды,

которая существенно отличается от окружающей нейрон межклеточ-

ной жидкости. Особенно выражены различия в концентрациях ионов

натрия и калия (Na

+

, Ka



+

). Наружная среда приблизительно в 10 раз

богаче Na

+

, чем внутренняя, а внутренняя среда в 10 раз богаче Ka



+

,

чем межклеточная жидкость. Данное различие в концентрации ионов



натрия и калия лежит в основе поддержки и развития электрических

потенциалов на мембране нервных клеток.

2. 

Ядро (Рис. 1.4).

В каждой нервной клетке есть ядро, в котором хранится генети-

ческий материал в виде хромосом. Хромосомы состоят из дезоксири-

бонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, которые вместе образуют

гены. Во время эмбрионального развития гены контролируют синтез

белка и через белки обеспечивают дифференцировку клетки, ее ко-

нечную форму и синаптические связи с другими клетками. В зрелом

состоянии нейрона гены через контроль над синтезом белка контро-

лируют активность нейрона. Ядро отделено от цитоплазмы двумя

мембранами, которые в некоторых местах сходятся и образуют поры,

через которые осуществляется обмен веществ между цитоплазмой и

содержимым ядра.

3. 

Митохондрии (Рис. 1.4).

Нейрон для выполнения своих функций нуждается в большом ко-

личестве энергии. Макроэргическая молекула АТФ (аденозинтрифос-

форная кислота) является основным источником энергии. Подвижные

и пластичные митохондрии представляют собой окруженные двойной

мембраной органеллы, в которых осуществляется синтез АТФ. Обычно

митохондрии представляют собой мелкие (длиной 0,5-3 мкм) внутри-

клеточные образования, которые за счет своей подвижности располага-

ются в тех местах, где необходима энергия для поддержания химичес-

ких процессов.

Для обеспечения внутриклеточных химических процессов теплом

происходит расщепление (гидролиз) АТФ: от нее отделяется ион фос-

фора и энергия, которая удерживала этот ион с ионом АДФ (аденозин-

дифосфорная кислота). Энергия идет на поддержание химических про-

цессов в нейроне, а АДФ

-3

 и Р



+3 

поступают в митохондрии, в которых

выделяющаяся от окисления глюкозы энергия идет на соединение этих

ионов и образование АТФ.



20

Рис. 1.4. Внутреннее содержимое тела клетки: Я— ядро, П — полисомы,

Т— микротрубочки, М — митохондрии, МФ — микрофиламенты, Ш-ЭР —

шероховатый эндоплазматический ретикулум.

4. 


Строительные белки-рибосомы, шероховатый эндоплазма-

тический ретикулум и аппарат Гольджи (Рис. 1.4)

Эти структуры



 обеспечивают синтез белка в нейроне и его встраива-

ние в структуры мембраны. Белки нейронов, как и других клеток, нуж-

даются в постоянном обновлении. Без обновления белков нейрон может

прожить несколько дней. В цитоплазме тела нейрона находится большое

количество кластеров рибосом. Рибосомы имеют размер около 4 нм в

диаметре и сформированы из белков и рибонуклеиновой кислоты. Кла-

стеры рибосом, называемых полисомами, осуществляют в цитоплазме

синтез растворимых белков, в том числе ферментов. Отдельные рибосо-

мы в полисомах связаны с информационной РНК (иРНК). иРНК являет-

ся длинной цепочкой нуклеиновых кислот, представленных четырьмя

нуклеотидами: аденином, гуанином, цитозином и урацилом. Последова-

тельность этой нуклеотидной цепочки кодирует последовательность ами-

нокислот в синтезируемом белке. Специальная транспортная РНК (тРНК)


21

«распознает» определенную тринуклеотидную цепочку на матричной РНК

(мРНК) и связывает с ней определенную аминокислоту. По мере синте-

за белка мРНК продвигается через рибосому и к ее тринуклеотидным

цепочкам тРНК последовательно присоединяют разные аминокислоты

до тех пор, пока мРНК не закончится. Затем цепочка аминокислот выхо-

дит в цитоплазму (Ленинджер, 1982)

 Синтез мембранных белков и их включение в мембраны осуще-

ствляется с помощью 

шероховатого поверхностного эндоплазма-

тического ретикулума (шероховатого ЭР), гладкого эндоплазмати-

ческого ретикулума (гладкого ЭР) и аппарата Гольджи. Шероховатый

ЭР представляет собой лабиринтную систему мембранных трубок, пу-

зырьков и цистерн, чья выступающая вовнутрь нейрона поверхность

усыпана рибосомами, связанными друг с другом с помощью мРНК.

Отсюда и термин «шероховатая поверхность». Мембранные белки вне-

дряются в шероховатый ЭР. Гладкий ЭР является продолжением шеро-

ховатого ЭР и лишен рибосом. Гладкий ЭР вовлечен в распределение

белка по нейрону: а именно по нему вновь синтезированные белки

доставляются в дендриты. Из гладкого ЭР белки транспортируются в

аппарат Гольджи, где они могут быть модифицированы, например если

этот белок относится к гликопротеинам, то к нему добавляется карбо-

гидрат. Белки в аппарате Гольджи концентрируются и затем «упаковы-

ваются» в мембранных пузырьках и изолируются для последующей

поставки его в другие участки клетки. По соседству с аппаратом Голь-

джи лежат «облачки» мелких пузырьков, которые, возможно, транс-

портируют синтезированные белки в разные участки нейрона.

Лизосомы.

Лизосомы относятся к внутриклеточной пищеварительной системе.

Эта структура, как и ретикулум, заключена в мембрану. Лизосомы не

имеют определенной формы или размера. Они содержат разнообраз-

ные гидролитические ферменты, которые расщепляют и переваривают

множество соединений, появляющихся как внутри, так и вне клетки.

Перевариваемые вещества могут быть внутриклеточными, и такое пе-

реваривание называют 



аутофагией. Переваривание лизосомами вне-

клеточных веществ получило название 



гетерофагия.

Цитоскелетная сеть.

В теле и отростках нейрона имеется обширная цитоскелетная сеть,

состоящая из микротрубочек, нейрофиламентов и микрофиламентов

(Рис. 1.4). Они проходят через весь нейрон, соединяя все его части. Эта

сеть является каркасом нейрона, поддерживая определенную его фор-


22

му. С другой стороны, цитоскелетная сеть выполняет транспортную

функцию. В теле клетки микротрубочки и более мелкие трубочки, ней-

рофиламенты и микрофиламенты, занимают большую ее часть, не за-

нятую другими органеллами, и из тела нейрона все эти трубочки про-

никают в дендриты и аксоны.



Микротрубочки состоят из длинных неразветвленных трубочек

разной длины. Стенки их построены из субъединиц специфического

белка — тубулина (от лат. tubula — трубочка). 

Нейрофиламенты

тоньше микротрубочек. Они тоже имеют трубчатое строение и встре-

чаются только в нейронах. Показано, что в крупных аксонах их значи-

тельно больше, чем микротрубочек, тогда как в мелких аксонах и ден-

дритах их соотношение противоположное. Нейрофиламенты и их соот-

ношение с микротрубочками меняются при старении. При болезни

Альцгеймера они превращаются в клубочки и бляшки. Предполагает-

ся, что микротрубочки и нейрофиламенты в аксонах и дендритах вы-

полняют транспортную функцию между телом и отростками нейрона в

обоих направлениях: от тела к отросткам — 



антероградный транс-

порт, от отростков к телу — 



ретроградный транспорт.

Данная гипотеза была подтверждена экспериментально. После инъ-

екции меченых аминокислот вблизи тела клетки методом радиографии

было показано, что эти аминокислоты поглощаются телами нейронов и

включаются в белок, который затем переносится по аксону и его кол-

латералям. В этих экспериментах были выявлены два типа аксонного

транспорта: медленный транспорт, идущий со скоростью 1 мм в сутки,

и быстрый, идущий со скоростью несколько сотен миллиметров в сут-

ки. Многие переносимые вещества связаны с функциями синаптичес-

кой передачи.

Микрофиламенты присутствуют в большом количестве в нервных

отростках. Их много в нейроглии, и они участвуют в некоторых связях

между нейронами (Шеперд, 1997).

Дендриты.

Дендриты при всем их разнообразии среди нейронов содержат те

же органеллы, кроме ядра, что и тело. В большей части дендритов

параллельно проходит большое количество микротрубочек. С другой

стороны, в дендритах находится лишь небольшое количество нейро-

филаментов. Митохондрии ориентированы вдоль дендрита и достига-

ют по длине 9 мкм. Шероховатый ЭР хорошо выражен лишь в начале

дендрита; по мере удаления его от тела ЭР исчезает. Гладкий ЭР

распространен по всей длине дендритов. Он проходит параллельно


23

микротрубочкам и микрофиламентам, образуя по своему курсу не-

большие выпячивания. Считается, что гладкий ЭР распространен по

всему дендриту и транспортирует разные химически вещества. Ос-

новная часть белка синтезируется в теле клетки, но некоторые белки

синтезируются в проксимальных участках дендритов, где локализо-

вана большая масса гладкого ЭР. Эти белки транспортируются в ди-

стальные отделы дендритов с помощью цистерночек и гладкого ЭР

вдоль поверхности системы микротрубочек. Белки, которые синтези-

руются в теле клетки, транспортируются в дендриты также с помо-

щью гладкого ЭР.

На дендритах располагается большое количество шипиков, на ко-

торых находятся в основном аксо-дендритные синапсы. Например, на

дендритах пирамидных нейронов в среднем локализовано около 4000

шипиков, что составляет примерно 43% от всей синаптических контак-

тов этих нейронов (Рис. 1.2) (Cotman, McGaugh, 1980).

Каждый шипик представляет собой выпячивание на дендрите дли-

ной около 2 мкм, которое состоит из тонкой шейки, заканчивающейся

яйцеобразным выпячиванием. Цитоплазма шипиков заполнена тонки-

ми филаментами и очень небольшим количеством микротрубочек. Как

было сказано выше, шипики включены в синаптические структуры.

Аксон.

В отличие от дендритов аксон является обычно одиночным отрост-

ком. В нем нет шероховатого ЭР, рибосом, но он содержит митохонд-

рии, большое количество нейрофиламентов, микротрубочки, гладкий

ЭР и небольшое количество лизосом. Часть гладкого ЭР, цистерны

разной формы, соединены друг с другом тонкими трубочками, и эта

система идет вдоль всего аксона. Внутри аксон заполнен желеобраз-

ной аксоплазмой, которая удерживает его цитоскелетную сеть. У ос-

новного большинства крупных нейронов аксоны на всем протяжении

покрыты оболочкой, называемой миелином. Миелин никогда не по-

крывает дендриты. Известно, что миелин производится из плазмати-

ческой мембраны глиальных клеток, которые обматывают аксон. В пе-

риферической нервной системе аксоны обматывают особые глиальные,

или Шванновские клетки. Оголенные участки аксона между Шван-

новскими клетками называются перехватами Ранвье. В ЦНС миелино-

вые оболочки формируются олигодендроцитами. По миелинизирован-

ным аксонам потенциалы действия проходят быстро за счет сальтатор-

ного (прыжкообразного) перемещения от одного перехвата Ранвье к

другому.


24

Синапс.

Нервно-мышечное соединение.

Все синапсы имеют одинаковую структуру. Пресинаптическая и

постсинаптическая мембраны являются высокоспециализированными

в месте контакта и образуют синаптическое соединение. Пресинапти-

ческая бляшка, или терминаль аксона, содержит пузырьки диаметром

около 20–65 нм, которые наполнены веществом — нейромедиатором.

Наличие пузырьков и синаптического соединения является показате-

лем химического синапса. Общие детали строения едины для всех си-

напсов, но тонкая структура синапсов зависит от особенностей пре- и

постсинаптического нейронов, эта структура существенно различна в

нервно-мышечном и межнейронных синапсах.

Рис. 1.5. Нервно-мышечное соединение: А — аксон, Б — синаптические

окончания аксона в виде бляшек, М — мышца, мт — митохондрии, сп —

синаптические пузырьки, а — активная зона, Щ — синаптическая щель, сс —

соединительные складки мембраны мышечной клетки.

Непосредственно перед нейромускулярным соединением миели-

новая оболочка на аксоне исчезает, и далее аксон, окруженный толь-

ко тонким слоем цитоплазмы Швановских клеток, разделяется на

веточки (коллатерали). В месте синаптического контакта коллатера-

ли аксона с мышечной клеткой мембрана последней образует множе-

ство складок — соединительные складки. Пространство между преси-

наптической и постинаптической частями синапса получило название

синаптической щели (Рис. 1.5). Синаптическая щель в нейромуску-

лярном соединении шире, чем между нейронами ЦНС. В синаптичес-

ких окончаниях аксонов имеется несколько митохондрий, сеть фиб-



25

розного белка, и множество синаптических пузырьков, содержащих

нейромедиатор, а именно до 10000 молекул ацетилхолина, который

вызывает возбуждающее действие на мембране мышечной клетки.

Некоторые пузырьки распределены в случайном порядке по аксон-

ной ветви, в то время как другие находятся вдоль пресинаптического

участка — активной зоны, из которой они выделяются в синаптичес-

кую щель. Внутри двухслойной плазматической мембраны в актив-

ной зоне находятся внутримембранные частицы с участками, к кото-

рым крепятся пузырьки. При прохождении по аксону потенциала дей-

ствия пузырьки подплывают к этим участкам и сливаются с ними

(Рис. 1.6). Напротив активной зоны пресинаптической мембраны на-

ходятся функциональные складки мембраны мышечной клетки. Внутри

мембраны, в основном в гребнях складок, имеется большое количе-

ство внутримембранных включений, с которыми, по-видимому, со-

единяется нейромедиатор.



Рис. 1.6. Схема выделения нейромедиатора в синаптическую щель

Синапсы ЦНС.

Каждый синапс в ЦНС сформирован двумя нейронами — пре- и

постсинаптическим. Как и в нейромускулярном соединении, в этих

синапсах есть пре- и постсинаптическая мембраны, между которыми

имеется синаптическая щель шириной порядка 20-50 нм. В пресинапсе

находятся пузырьки с нейромедиатором, митохондрии, мембранные ци-

стерночки, случайные микротрубочки и множество волокон. В ЦНС

выделяют два типа синапсов. Синапсы ЦНС отличаются от синапсов

нервно-мышечного соединения в нескольких аспектах. Если в нервно-


26

мышечном соединении ацетилхолин оказывает возбуждающее действие

на мембрану мышечной клетки, то в ЦНС в одних межнейронных

синапсах ацетилхолин оказывает возбуждающее действие на мембра-

ну нейрона, в других синапсах — тормозное действие. Если в нервно-

мышечных соединениях существует только один нейромедиатор, то в

синапсах ЦНС насчитывается более 100 различных нейромедиаторов.

Первый тип синапсов имеет довольно типичную форму (см. рис. 1.7).

Пресинаптическая мембрана аксона имеет множество уплотненных

проекций на ее цитоплазматическую часть, а постсинаптическая мемб-

рана дендрита также имеет уплотнения, но непрерывные, на цитоплаз-

матической поверхности — постсинаптическое уплотнение. Типичная

длина такого синаптического контакта примерно 5 мк. Синапсы 1-го

типа являются самыми многочисленными; они всегда являются аксо-

дендритными, формируются на шипиках дендрита и никогда не фор-

мируются на теле нейрона.



Рис. 1.7. Структура синапса 1-го типа: СП — синаптические пузырьки,

М — митоходрии.

Уплотненные проекции пресинаптической мембраны представляют

собой серии пирамид, организованных в гексагональные структуры

(рис. 1.8). Активные зоны синапсов находятся в промежутках между

этими структурами. В активных зонах находятся синаптические пу-

зырьки, а также множество внутримембранных включений.


27

Рис. 1.8. Фрагмент, вынесенный из рис. 1.7 и увеличенный: СП — синапти-

ческие пузырьки, УППМ — уплотненные проекции пресинаптической мемб-

раны, ВПП — выпячивающая постсинаптическая плотность.

Постсинаптические уплотнения (ВПП на рис. 1.8) представляют

собой фиброзную ткань, напоминающую грубо сотканный ковер. Эта

ткань лежит напротив постсинаптической мембраны. В этих уплотне-

ниях срастаются тонкие волокна, к которым прикасаются микротру-

бочки, содержащие включения небольшого размера. Наружная повер-

хность постсинаптической мембраны, перекрывающая данное уплот-

нение, является чувствительной к определенному нейромедиатору;

множество щетинок и волокон ориентированы в направлении синапти-

ческой щели, и некоторые из них соединяются с пресинаптической

мембраной.

Второй тип синапсов никогда не формируется на шипиках. Они

обычно локализованы на телах нейронов. Предполагается, что в отли-

чие от синапсов 1-го типа синапсы 2-го типа являются тормозными

синапсами. Основной признак 2-го типа синапсов — это отсутствие

выпячивающей постсинаптической плотности; область плазматической

мембраны в синапсе очень тонкая.


28

1.4. Мембранные потенциалы

Уникальным свойством нервных и мышечных клеток является нали-

чие электрических потенциалов на их мембранах. Мы не будем подроб-

но рассматривать биофизические основы этих потенциалов. Они под-

робно описаны в специальных пособиях (Шеперд, 1987, т. 1). Отметим,

что в основе потенциалов на мембранах клеток лежит разница ионов

натрия и калия со стороны наружной и внутренней поверхностей мемб-

раны. Во внешней среде ионов натрия примерно в 10 раз больше, чем

ионов калия. Внутри нейронов соотношение количества этих ионов про-

тивоположное. Поскольку эти ионы способны легко проходить через

канальцы мембраны, то существуют химические процессы, которые

обеспечивают выкачивание ионов натрия из внутренней среды в обмен

на ионы калия. Такая химическая реакция получила название 



натрий-

калиевый насос, и она осуществляется внутренними мембранными бел-

ками (интегральные белки). У большинства нейронов имеется до 200

таких насосов на квадратный микрон мембраны. Насос может транспор-

тировать около 200 ионов натрия наружу мембраны и 130 ионов калия

вовнутрь нейрона в секунду, в результате чего наружная часть мембра-

ны имеет положительный заряд относительно внутренней ее части. Этот

электрический потенциал на мембране нервной и мышечной клетки

получил название 



потенциал покоя (ПП). Величина ПП достигает 80

мв. Каждый натрий-калиевый насос использует для своей работы энер-

гию, получаемую от расщепления АТФ. Если учесть, что в нервной си-

стеме находится 10

10 

нейронов, то правомерен вопрос, для чего необхо-



дим ПП, если на его поддержание расходуется такое огромное количе-

ство энергии?

ПП как устойчивый электрический потенциал лежит в основе фор-

мирования 



потенциала действия (ПД). В результате химического,

механического или электрического раздражения локального участка

мембраны насос как бы поворачивается на 180° и закачивает вовнутрь

ионы натрия. Проникшие в клетку ионы натрия приводят к тому, что

внутренняя поверхность локального участка мембраны становится по-

ложительно зараженной относительно наружного участка. Изменение

знака заряда (деполяризация) мембраны является неустойчивым со-

стоянием: оно приводит к закрыванию натриевых каналов и открыва-

нию калиевых каналов. Поток ионов калия наружу через 1,5–2 мс

восстанавливает ПП на данном участке мембраны (реполяризация).

Но этот участок мембраны в течение нескольких миллисекунд остает-

ся нечувствительным к различным воздействиям (период рефрактер-



29

ности). Деполяризация и реполяризация локального участка мембраны

проявились в виде электрического импульса, который стал адекватным

электрическим раздражением смежного участка мембраны, содержа-

щий насос. В результате последовательного раздражения локальных

участков мембраны аксона ПД доходит до синапса.

1.5. Синаптическая передача

Потенциал действия в окончании аксона приводит к открыванию хи-

мически управляемых кальциевых каналов и притоку кальция вовнутрь

окончания, однако специальный механизм быстро устраняет свобод-

ный кальций из окончания аксона. Такой кратковременный подъем

концентрации кальция в окончании аксона приводит к слиянию запол-

ненных нейромедиатором пузырьков с пресинаптической мембраной и

высвобождением нейромедиатора в синаптическую щель. Такой про-

цесс выделения нейромедиатора в синаптическую щель получил на-

звание экзоцитоз (Рис. 1.6). Освободившись от нейромедиатора, слив-

шийся с мембраной пузырек отделяется от нее и вновь наполняется

нейромедиатором.

Есть и другая точка зрения, согласно которой молекулы нейроме-

диатора выходят в синаптическую щель через специальные канальцы.

Но в любом случае известно, что потенциал действия, дошедший по

аксону до пресинапса, повышает его проницаемость для ионов каль-

ция, которые устремляются в него и активируют выход нейромедиато-

ра в синаптическую щель.

В противоположность активируемым ацетилхолином каналам нервно-

мышечного синапса, всегда открывающимся на 1 мс, в некоторых ти-

пах мозговых синапсов имеются каналы, открывающиеся на доли мил-

лисекунд, а другие могут оставаться открытыми сотни миллисекунд.

Это различие объясняется тем, что в области нервно-мышечного соеди-

нения, например, у лягушки, аксон образует сотни синаптических кон-

тактов с мышечной клеткой, а в мозгу аксоны устанавливают только

один-два синаптических контакта с данным нейроном.

Вышедшие в синаптическую щель молекулы нейромедиатора быс-

тро проходят через наполненную жидкостью синаптическую щель и

взаимодействуют с рецепторами постсинаптической мембраны. Рецеп-

торы представляют собой крупные белковые молекулы, погруженные в

полужидкую матрицу клеточной мембраны (см. рис. 1.3). Выходящий

на поверхность участок рецепторного белка и молекула нейромедиато-

ра имеют химическое сродство наподобие ключа и замка. Взаимодей-


30

ствие нейромедиатора с рецептором меняет трехмерную структуру ре-

цепторного белка. В нервно-мышечном соединении это взаимодействие

вызывает развитие потенциала действия по мембране мышечной клет-

ки и, как результат, приводит к ее сокращению; в железистой клетке

происходит образование и выделение гормона или пищеварительных

соков. Во всех случаях рецептор переводит сообщение, закодированное

в молекулярной структуре нейромедиатора, в специфическую физио-

логическую реакцию.

Однако вопрос о том, какие процессы происходят в нейроне в ответ

на поступление нейромедиатора к его постсинаптическим мембранам,

остается не до конца изученным. По мнению П. К. Анохина, в первой

трети прошлого века рассмотрение влияния от многочисленных синап-

тических притоков на активность нейрона сводилось только к анализу

мембранных процессов. Одним из таких представлений о судьбе си-

наптических притоков, одновременно приходящих к нейрону, является

«суммация» электрических потенциалов на его мембране. Согласно

этим представлениям, нейрон в целом представляет собой некоторый

электротонический пул с подвижным градиентом между отрицатель-

ным (дендритная часть) и положительным (аксонная часть) полюсами.

Такое электрическое состояние мембраны нейрона объясняется посто-

янной деполяризацией мембраны дендритов синаптическими притока-

ми. Когда достигается определенная разница между потенциалами ден-

дритов и аксона на аксонном холмике (место выхода аксона от тела

нейрона) срабатывает генераторный потенциал. Частота и паттерн элек-

трических потенциалов будет определяться соотношением электроот-

рицательности и электроположительности на полюсах нейрона. Но этот

подход не может объяснить многообразие нейромедиаторов, выделяю-

щееся на постсинаптические мембраны нейрона в разных его синап-

сах. С позиций этого подхода не понятно, «на основе каких конкретных

механизмов многочисленные и разнородные возбуждения, пришедшие

в данный момент к нейрону и принесшие свои индивидуальные ин-

формации, интегрируются в одно единственное аксональное возбужде-

ние» (Анохин, 1974). Все последующие концепции суммации мембран-

ных потенциалов, как и предшествующая концепция, отражают идею

проведения возбуждения по нейрону наподобие проведения возбужде-

ния по аксону или переносят акцент на накопление электрических

потенциалов на мембране нейрона. Не приносит ясности в выявлении

функции нейрона и оперирование такими понятиями, как возбудитель-

ный и тормозный постсинаптические потенциалы, соответственно ВПСП



31

и ТПСП, потому что все опять упирается в не до конца понятные

механизмы их суммации. П. К. Анохин приходит к заключению о том,

что принятие примата мембранных и электрических процессов не дает

возможности ответить на вопрос о главной функции нейрона — интег-

рировании им возбуждений, поступивших к нему через разные синап-

тические входы.

П. К. Анохин выдвигает гипотезу о том, что изменение проницае-

мости активности постсинаптической мембраны, вызванное нейроме-

диатором, является фактором, способствующим выходу какого-то слож-

ного метаболического комплекса из области синапса в область плазма-

тических образований дендрита и сомы нервной клетки, прилежащих к

постсинаптической мембране. С этой точки зрения, синапс не является

образованием, созданным для формирования электрического потенци-

ала, как это принимает господствующая точка зрения. В синапсе про-

исходит трансформация пресинаптического возбуждения в специфи-

ческие химические процессы в цитоплазме дендритов и сомы. На это

указывает сложное строение постсинаптических мембран. Согласно

схеме, предложенной П. К. Анохиным, в синапсе осуществляется сле-

дующая последовательность процессов: 1) приход по аксону возбужде-

ния к синаптосоме; 2) физико-химические превращения в синаптосоме;

3) выход медиатора в синаптическую щель; 4) действие нейромедиато-

ра на постсинаптический рецептор; 5) быстрое увеличение проницае-

мости мембраны, которое ведет к двум параллельным процессам;

6а) формирование ПД на мембране постсинаптического нейрона и

суммация этих потенциалов на мембране; 6б) выброс в цитоплазму

нейрона комплекса метаболитов и химические преобразования в плазме

постсинаптического нейрона.

Все описанные выше концепции рассматривают нейрон как неко-

торый пассивный элемент, к которому по синаптическим входам при-

ходят возбуждения и вызывают в нем определенные электрические

или химические процессы. В настоящее время разрабатывается еще

один аспект нейронной доктрины: нейрон рассматривается как 

актив-

ный элемент, способный регулировать эффективность своих синапти-

ческих входов за счет метаболизма, синтезировать и встраивать новые

постсинаптические рецепторы для медиаторов, в которых он нуждает-

ся (Швырков, 1995). По мнению В. Б. Швыркова, генерация ПД на

мембране нейрона определяется его метаболической активностью, в

частности, потребностью в определенных метаболитах, например в ней-

ромедиаторах.


32

Выводы


• Основным положением нейронной доктрины, сформулированной

в конце XIX в., является положение о том, что нейроны не связаны

друг с другом морфологически с помощью анастамозов (ретикулярная

теория), а являются отдельными морфологическими и функциональны-

ми элементами ЦНС.

• Нейроны, в отличие от соматических клеток, имеют отростки (ак-

соны и дендриты), с помощью которых они устанавливают друг с дру-

гом синаптические связи.

• Мембрана нейрона и основные внутринейронные включения (ядро,

митохондрии, строительные белки-рибосомы, шероховатый эндоплаз-

матический ретикулум, аппарат Гольджи и др.) играют огромную роль

в поддержании собственной активности нейрона и его взаимодействия

с другими клетками.

• Существует несколько концепций, по-разному объясняющих ме-

ханизмы генерации и роль потенциала покоя, медленных потенциалов

(ВПСП, ТПСП) и потенциалов действия нейронов.

Цитированная литература

Рекомендуемая

1. Анохин П. К. Системный анализ интегративной деятельности нейрона //

П. К. Анохин Очерки по физиологии функциональных систем. М.: Медицина,

1975.


2. Мозг / Под ред. П. В. Симонова. М.: Мир, 1982.

3. Шеперд Г. Нейробиология. М.: Мир, 1987. Т. 1.

4. Швырков В. Б. Введение в объективную психологию ( нейрональные

основы психики). М.: Изд. ИП РАН, 1995.

5. Cotman C. W., McGaugh. Behavioral neuroscience. N. Y. Academic Press. 1980.

6. S. Ramon y Cajal. The structure and connexions of neurons // Nobel

Lecture, December 12, 1906.

Дополнительная

1. Gudden, 1870 (цит. по Cotman C. W., McGaugh, 1980).

2. Waller, 1852 (цит. по Cotman C. W., McGaugh, 1980).

3. McCulloch и Pitts (цит. по Шеперд, 1987).

4. Palade and Palay, 1954 (цит. по Шеперд, 1987).

5. De Robertis, 1954 (цит. по Шеперд, 1987).

6. Rosenzweig M. R. Aspects of the search for neural mechanisms of memory

// Annual Review of Psychology, 1996. V. 47. P. 1-32.

7. Singer S. J. & Nicolson The fluid mosaic model of the structure of cell

membranes // Science, 1872. V. 175. P. 720-731.



33

ГЛАВА 2. АКТИВНЫЙ НЕЙРОН



В настоящей главе рассматривается функционирование ней-

рона с позиций получающего все большее распространение сис-

темного подхода и сравнение этого взгляда с традиционным. Ак-

тивность нейрона с этих позиций представляется не как реак-

ция на синаптический приток, обеспечивающая проведение

возбуждения, а как средство изменения соотношения со средой,

«действие», направленное в будущее, которое обусловливает уст-

ранение рассогласования между «потребностями» клетки и ее

микросредой. Сам же нейрон предстает не как «проводник» или

«сумматор», а как организм в организме, обеспечивающий свои

«потребности» за счет метаболитов, поступающих от других

элементов. Обсуждается сходство и различие между нейроном и

одноклеточным организмом. Последнее состоит в том, что ней-

рон в отличие от одноклеточного обеспечивает «потребности»

своего метаболизма, объединяясь с другими элементами организ-

ма в функциональную систему. Формирование подобных объе-

динений выступает как метаболическая кооперация нейронов.

Удовлетворение всего спектра метаболических «потребностей»

клеток обеспечивается разнообразием реализуемых актов. При-

водятся аргументы в пользу того, что нейрон активен не только

в процессе жизнедеятельности, но и при программируемой смер-

ти — апопотозе. В заключение демонстрируется, что новый под-

ход к пониманию функционирования нейрона требует изменений

способа анализа его активности.

2.1. Активность и реактивность

При всем многообразии теорий и подходов, используемых в нейро-

науках и психофизиологии, их можно условно разделить на две группы.

В первой из групп в качестве основного методологического принципа,

определяющего подход к исследованию закономерностей мозговой орга-

низации поведения, рассматривается реактивность (парадигма реактив-

ности), во второй — активность (парадигма активности; подробно см. в:

Александров, 2004; Швырков, 2006; Alexandrov, Jдrvilehto, 1993).

Использование принципа реактивности как объяснительного в на-

учном исследовании базируется на идеях Рене Декарта. Декарт пола-

гал, что организм может быть изучен, как машина, основной принцип



34

действия которой — рефлекс. С рефлекторных позиций события, лежа-

щие в основе поведения, в общем представляются как линейная после-

довательность, начинающаяся с действия стимулов на рецепторные

аппараты и заканчивающаяся ответным действием.

Как нам представляется (Александров, Крылов, 2005; Крылов,

Александров, 2008), положения, выдвинутые Декартом, составляли

и составляют «ядро исследовательской программы» (Лакатос, 1995),

основанной на методологическом принципе реактивности.



жүктеу 3.62 Mb.

Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   33




©emirb.org 2020
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет