стр. 1
(всего 2)

СОДЕРЖАНИЕ

>>

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
В. М. СМИРНОВ

НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ И ВЫСШАЯ НЕРВНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ДЕТЕЙ И ПОДРОСТКОВ









Рекомендовано
Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по педагогическому образованию в качестве учебного пособия для студентов дефектологических факультетов
высших педагогических учебных заведений










Федеральная целевая программа книгоиздания России
Рецензенты:
кандидат медицинских наук, доцент, зав. кафедрой анатомо-физиологических основ дефектологии МПГУ Т. М. Уманская;
кандидат педагогических наук, зав. кафедрой олигофренопедагогики, декан дефектологического факультета МПГУ, профессор Б. П. Пузанов


Смирнов В. М.
Нейрофизиология и высшая нервная деятельность детей и подростков: Учеб. пособие для студ. дефектол. фак. высш. пед. учеб. заведений. - М.: Издательский центр «Академия», 2000. - 400 с.
В пособии рассмотрены общие закономерности функционирования центральной нервной системы (ЦНС) детей и подростков, нейронная организация ЦНС, механизмы возбуждения и торможения нейронов ЦНС, медиаторы и их физиологическая роль, рефлекторный принцип деятельности ЦНС. Содержатся материалы по общим закономерностям высшей нервной деятельности (ВНД) и их особенностям у детей и подростков: об условном рефлексе как элементе ВНД, механизмах памяти и научения, осознаваемой и подсознательной деятельности мозга и др.
Учебное пособие может быть полезно также студентам любых вузов, где изучается физиология человека.
ОТ АВТОРА

Книга содержит материалы о механизмах и типах регуляции функций организма, надежности физиологических систем. Подробно описаны общие закономерности возбуждения и торможения нервных клеток, взаимодействие нейронов и отделов центральной нервной системы (ЦНС), иерархия функций различных отделов ЦНС, процессы созревания ЦНС и соответствующих функций организма. Рассмотрены современные и классические представления о высшей нервной деятельности зрелого и развивающегося организма в онтогенезе в сравнительном аспекте.
Особенностью пособия является то, что в нем уделено внимание дискуссионным вопросам в области физиологии и представлена обоснованная точка зрения автора. В тексте это выделено мелким шрифтом в виде пояснений. Материал подан в форме подробных, четких, логически обоснованных рубрик, что позволило компактно представить его большой объем и обеспечить легкое усвоение. Построение книги таково, что изучение предыдущего раздела будет способствовать усвоению содержания следующего.
Учебное пособие может быть использовано также в любых вузах, где изучается физиология, поскольку в нем изложены устоявшиеся современные сведения о физиологии возбудимых тканей и соответствующих систем организма, общие закономерности деятельности сенсорных систем.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АД - артериальное давление
АРД - акцептор результата действия
АТФ - аденозинтрифосфат
БДГ - быстрое движение глаз
ВНД - высшая нервная деятельность
ВНС - вегетативная нервная система
ВП - вызванный потенциал
ВПСП - возбуждающий постсинаптический потенциал
ГР - гормон роста
ГЭБ - гематоэнцефалический барьер
ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота
КГР - кожно-гальванический рефлекс
КОМТ - катехол-О-метилтрансфераза
КУД - критический уровень деполяризации
ПД - потенциал действия
ПП - потенциал покоя
РНК - рибонуклеиновая кислота
ТПСП - тормозной постсинаптический потенциал
ФРН - фактор роста нервов
ЦНС - центральная нервная система
ЭМГ - электромиограмма
ЭОГ - электроокулограмма
ЭЭГ - электроэнцефалограмма
ПЕРИОДЫ РАЗВИТИЯ ДЕТЕЙ
В постнатальном онтогенезе выделяют четыре критических периода: 1-й месяц жизни, 3 года, 7 лет и 12-16 лет. В эти периоды происходят существенные изменения в морфофункциональной зрелости организма. В течение 1-го месяца жизни ребенка по своей «критичности» особенно выделяются первые минуты 1-го дня жизни. В момент рождения начинается новый отсчет времени и условий развития организма. Меняется среда обитания: водная - на воздушную, начинают действовать силы гравитации: до рождения плод, находясь в жидкой среде, был как бы в невесомости. Ребенок впервые в жизни получает «глоток» воздуха - начинается газообмен организма с окружающей средой не посредством плаценты, а через легкие. Резко изменяется кровообращение: последовательно к большому кругу подключается малый круг кровообращения, происходят и другие изменения. К завершению 3-го года жизни малыш самостоятельно передвигается в окружающей среде, с минимальной помощью одевается. В это время бурно развивается его речевое общение с родителями и сверстниками. В возрасте 7 лет ребенок обычно идет в школу. Развитие центральной нервной системы, анализаторов, мышечной системы, мышление достигают нового уровня. В этом возрасте наблюдается пик активности гипофизарно-надпочечниковой системы. Критический период - возраст от 12 до 16 лет - характеризуется ярко выраженными гормональными сдвигами: происходят половое созревание и связанное с ним изменение физического и умственного развития.
Достаточно полно критические периоды в развитии организма учтены в классификации Н.П.Гундобина, которую мы приводим с некоторыми изменениями и дополнениями.
А. Внутриутробный (антенатальный) онтогенез.
1. Эмбриональный период (эмбрион до 2 мес).
2. Фетальный период (плод от 2 до 9 мес).
Б. Внеутробный (постнатальный) онтогенез.
1. Период новорожденности (неонатальный период - от рождения до 1 мес).
2. Грудной возраст (от 1 мес до 1 года).
3. Ясельный период (от 1 года до 3 лет).
4. Дошкольный период (от 3 до 7 лет).
5. Младший школьный период: у мальчиков - от 7 до 13 лет, у девочек - от 7 до 11 лет.
6. Подростковый возраст (пубертатный период): у мальчиков - от 13 до 17 лет, у девочек - от 11 до 15 лет.
Глава 1 РЕГУЛИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Регуляция функций органов - это изменение интенсивности их работы для достижения полезного результата согласно потребностям организма в различных условиях его жизнедеятельности. Классифицировать регуляцию целесообразно по двум основным признакам: механизму ее осуществления (три механизма: нервный, гуморальный и миогенный) и времени ее включения относительно момента изменения величины регулируемой константы организма. Выделяют два типа регуляции: по отклонению и по опережению (см. раздел 1.6).
Регуляция осуществляется согласно нескольким принципам, основными из которых являются принцип саморегуляции и системный принцип (см. раздел 1.5). Наиболее общий из них - принцип саморегуляции, который включает в себя все остальные. Принцип саморегуляции заключается в том, что организм с помощью собственных механизмов изменяет интенсивность функционирования органов и систем согласно своим потребностям в различных условиях жизнедеятельности. Так, при беге активируется деятельность ЦНС, мышечной, дыхательной и сердечно-сосудистой систем. В покое их активность значительно уменьшается.

1.1. НЕРВНЫЙ МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ

1.1.1. Виды влияний нервной системы и механизмы их реализации

В литературе встречается несколько понятий, отражающих виды и механизм влияния нервной системы на деятельность органов и тканей. Целесообразно выделить два вида влияний нервной системы на органы - пусковое и модулирующее (корригирующее).
А. Пусковое влияние. Это влияние вызывает деятельность органа, находящегося в покое; прекращение импульсации, вызвавшей деятельность органа, ведет к возвращению его в исходное
состояние. Примером такого влияния может служить запуск секреции пищеварительных желез на фоне их функционального покоя; инициация сокращений покоящейся скелетной мышцы при поступлении к ней импульсов от мотонейронов спинного мозга или от мотонейронов ствола мозга По эфферентным (двигательным) нервным волокнам. После прекращения импульсации в нервных волокнах, в частности в волокнах соматической нервной системы, сокращение мышцы также прекращается - мышца расслабляется.
Б. Модулирующее (корригирующее) влияние. Данный вид влияния изменяет интенсивность деятельности органа. Оно распространяется как на органы, деятельность которых без нервных влияний невозможна, так и на органы, которые могут работать без пускового влияния нервной системы. Примером модулирующего влияния на уже работающий орган может служить усиление или угнетение секреции пищеварительных желез, усиление или ослабление сокращения скелетной мышцы. Пример модулирующего влияния нервной системы на органы, которые могут работать в автоматическом режиме, - регуляция деятельности сердца, тонуса сосудов. Этот вид влияния может быть разнонаправленным с помощью одного и того же нерва на разные органы. Так, модулирующее влияние блуждающего нерва на сердце выражается в угнетении его сокращений, но этот же нерв может оказывать пусковое влияние на пищеварительные железы, покоящуюся гладкую мышцу желудка, тонкой кишки.
Модулирующее влияние осуществляется:
• посредством изменения характера электрических процессов в возбудимых клетках органа возбуждения (деполяризация) или торможения (гиперполяризация);
•за счет изменения кровоснабжения органа (сосудодвигательный эффект);
•с помощью изменения интенсивности обмена веществ в органе (трофическое действие нервной системы).
Идею о трофическом действии нервной системы сформулировал И.П.Павлов. В опыте на собаках он обнаружил симпатическую ветвь, идущую к сердцу, раздражение которой вызывает усиление сердечных сокращений без изменения частоты сокращений (усиливающий нерв Павлова). Впоследствии было показано, что раздражение симпатического нерва действительно усиливает в сердце обменные процессы. Развивая идею И.П.Павлова, Л.О.Орбели и А.Г.Гинецинский в 20-х годах XX в. открыли феномен усиления сокращений утомленной скелетной мышцы при раздражении идущего к ней симпатического нерва (феномен Орбели-Гинецинского, рис. 1.1). Считают, что усиление сокращений утомленной мышцы в опыте Орбели-Гинецинского связано с активацией в ней обменных (трофических) процессов под влиянием норадреналина. Полагают, что норадреналин, выделяющийся из окончаний постганглионарных симпатических сосудистых сплетений, активируя специфические рецепторы мембраны мышечных волокон, запускает каскад химических реакций в цитоплазме, ускоряющих обменные (трофические) процессы.



Рис. 1.1. Повышение работоспособности утомленной изолированной икроножной мышцы лягушки при раздражении симпатического нерва. Сокращения мышцы (а) вызываются ритмическим (30 мин) раздражением двигательных нервных волокон. Моментам раздражения симпатического нерва соответствуют поднятия сигнальной линии (б)


В дальнейшем было установлено, что раздражение симпатических нервов не только улучшает функциональные характеристики скелетных мышц, но и повышает возбудимость периферических рецепторов и в целом - возбудимость структур ЦНС. Такое действие симпатической нервной системы Л. О. Орбели назвал адаптационно-трофическим. Трофическое действие на ткань присуще всем нервам, но наиболее ярко оно выражено у симпатической нервной системы. Предполагается наличие трофогенов в нервных окончаниях. На роль трофогенов претендуют нуклеотиды, некоторые аминокислоты, простагландины, катехоламины, серотонин, ацетилхолин, сложные липиды, ганглиозиды. Многие из перечисленных веществ являются медиаторами. Понятие «трофоген», по-видимому, является собирательным. Трофическое действие соматической нервной системы ярко иллюстрируется результатом перерезки нервных стволов. Так, в норме плотность внесинаптических холинорецепторов на мышечном волокне в 1000 раз меньше, чем на постсинаптической мембране. Однако уже через несколько дней после денервации число рецепторов на мышечном волокне сильно возрастает и становится таким, как у новорожденных. Это связано с прекращением трофических воздействий нервного волокна.
Трофическое действие на иннервируемые ткани оказывают и афферентные нервные волокна. Так, адекватная стимуляция или раздражение электрическим током терминалей специфической популяции первичных сенсорных нейронов, тела которых лежат в спинальных ганглиях, ведет к освобождению из терминалей афферентных волокон химических веществ, оказывающих специфическое действие на окружающую ткань. Этими веществами являются преимущественно нейропептиды. Наиболее часто при этом выявляются субстанция Р и пептид, родственный гену кальцитонина. Они не только несут афферентную информацию, но и оказывают трофическое влияние на иннервируемые ткани.
В свою очередь биологически активные вещества, вырабатываемые разными клетками организма, оказывают трофическое действие на саму нервную систему. Об этом, в частности, свидетельствует угнетение активности ферментов, ответственных за синтез ацетилхолина в преганглионарных симпатических нейронах после разрушения ганглионарного симпатического нейрона. Преганглионарные симпатические нейроны находятся в боковых рогах спинного мозга. По-видимому, имеется несколько нейрональных факторов, регулирующих рост, развитие нервных клеток и функционирование зрелых нервных клеток. Одно из таких веществ - фактор роста нервов (ФРН). Это инсулиноподобное вещество наиболее сильно стимулирует рост симпатических и спинномозговых ганглиев. Если в организм новорожденных животных ввести антитела к ФРН, то в симпатической нервной системе развиваются дегенеративные изменения. Наибольшее количество ФРН вырабатывается в слюнных железах, продуцируется ФРН также гладкими мышечными волокнами стенок внутренних органов. Обнаружено также вещество, регулирующее рост и развитие мотонейронов спинного мозга.
Считают, что адаптационно-трофическое действие оказывают многие нейропептиды: либерины, соматостатин, энкефалины, эндорфины, брадикинин, нейротензин, холецистокинин, фрагменты АКТГ, окситоцин.
Таким образом, и соматическая, и вегетативная нервная система могут оказывать как пусковое, так и модулирующее влияние. Однако пусковое влияние нервной системы для скелетной мышцы (запуск или прекращение ее сокращений) осуществляется только с помощью соматической нервной системы, а модулирующее (изменение силы сокращений) - с помощью и соматической, и вегетативной нервной системы. Например, активация симпатической нервной системы ведет к усилению сокращения утомленной скелетной мышцы. Пусковое и модулирующее влияние на внутренние органы осуществляется только с помощью вегетативной нервной системы.
1.1.2. Симпатическая нервная система

А. Иннервируемые органы. В отличие от парасимпатических нервов, которые выходят из различных отделов ЦНС, все симпатические нервы выходят из спинного мозга (нейроны расположены в боковых рогах, сегменты СVIII - LII - ядро Якобсона, или ядро парамедианное дорсальное) и иннервируют все органы и ткани организма (рис. 1.2).
Симпатические нервы выходят в составе передних корешков и, отделившись от них, идут в виде белых соединительных ветвей к симпатическому стволу. Это преганглионарные мякотные (миелиновые) волокна. Часть из них прерывается в узлах симпатического ствола, другая часть проходит, не прерываясь.
От симпатического ствола отходят два нервных пути. Первый путь - серые соединительные ветви, представляющие собой постганглионарные симпатические волокна. Они вступают в спинномозговые (соматические) нервы, иннервирует лимфатические и кровеносные сосуды, железы, мышцы, поднимающие волосы, мышцы туловища и конечностей, скелетную мускулатуру, все органы и ткани. Второй путь - нервы, идущие непосредственно к внутренним органам и сосудам. Небольшая часть волокон этих нервов является постганглионарными, большая - преганглионарными. Последние образуют синапсы на клетках превертебральных, а также шейных, нижних поясничных, крестцовых и копчиковых ганглиев. От нейронов этих ганглиев отходят постганглионарные волокна, иннервирующие внутренние органы и ткани организма.
Б. Локализация симпатических центров. В последнем шейном и двух первых грудных сегментах спинного мозга расположен спиноцилиарный центр, осуществляющий регуляцию функции гладких мышц глаза, в том числе мышцы, расширяющей зрачок. Эффекторные нейроны этого пути лежат в краниальном шейном симпатическом ганглии. От II-IV грудных сегментов спинного мозга отходят симпатические волокна, иннервирующие слюнные железы. В первых пяти грудных сегментах спинного мозга расположены симпатические нейроны, иннервирующие сердце и бронхи. Ганглионарные клетки этого пути лежат в основном в звездчатом ганглии или, реже, в узлах пограничного симпатического ствола. Сосуды и потовые железы иннервируются всеми симпатическими преганглионарными нейронами спинного мозга. Таким образом, симпатические нервы регулируют функции всех органов и тканей организма, включая ЦНС и сенсорные рецепторы.
Норадренергические нейроны голубого пятна по своим морфологическим, биохимическим и электрофизиологическим свойствам весьма сходны с периферическими нервными клетками. Есть данные о том, что многие норадренергические волокна, выходящие из нижних частей ствола мозга, иннервируют артериолы и капилляры коры полушарий большого мозга. Подобные нейроны могут участвовать в регуляции кровотока через кору, их можно рассматривать как центральный отдел симпатической нервной системы.
В. Медиаторы и рецепторы. 1. В ганглиях. Эфферентный вход в вегетативном ганглии (экстра- и интраорганный) представлен возбуждающим холинергическим преганглионарным волокном, образующим синапс с нейроном посредством N-холинорецептора (возбуждение передается с помощью ацетилхолина). Рецептор получил свое название (Д.Н. Ленгли) вследствие чувствительности к никотину: малые дозы никотина возбуждают нейроны ганглия, большие - блокируют. В вегетативных ганглиях, кроме ацетилхолина, имеются нейропептиды: мет-энкефалин, нейротензин, вазоактивный интестинальный пептид (ВИП), холецистокинин, вещество Р, но их роль как медиаторов не доказана. N-холинорецепторы локализованы также на клетках скелетных мышц, каротидных клубочков и мозгового слоя надпочечников. В ганглиях обнаружены также М-холинорецепторы (возбуждаются мускарином) и опиатные рецепторы. Они регулируют выделение медиатора ацетилхолина в синапсах ганглия и чувствительность N-холинорецепторов. В нейронах ганглиев можно зарегистрировать тормозные - гиперполяризационные - потенциалы. Вызываются они вставочными адренергическими клетками, регулирующими возбудимость ганглионарных нейронов.


Рис. 1.2. Общая схема холинергической и адренергической иннервации. С, Th, L, S - сегменты спинного мозга

2. В постганглионарных симпатических окончаниях главным медиатором является норадреналин - его около 90% (адреналина около 7%, дофамина около 3%). Синтезируется норадреналин из аминокислоты тирозина в аксоне ганглионарного нейрона, в основном в терминальных симпатических окончаниях, примерно 1% - в теле нейрона. Поскольку в окончаниях симпатических ганглионарных нейронов выделяется норадреналин, эти нейроны называют адренергическими (рис. 1.3).
В ответ на раздражение симпатического нерва вместе с норадреналином выделяются также белок хромагринин, дофамин-b-гидроксилаза, мет-энкефалин. Эту смесь биологически активных веществ дополняют медиаторы соседних нервных окончаний, гормоны, метаболиты и ионы эффекторных клеток, поэтому принцип Дейла «один нейрон - один медиатор» требует определенной коррекции. Однако в нервном окончании всегда имеется основной медиатор. В симпатических нервных окончаниях основным медиатором, как отмечалось, является норадреналин. Он находится в гранулах в двух видах: резервном (стабильном) -85-90% и мобильном, который мобилизуется при поступлении нервных импульсов и выделяется из симпатических терминалей, варикоз. Мобильный норадреналин пополняется из стабильного фонда.



Рис. 1.3. Нейроны и рецепторы симпатической и парасимпатической нервной системы.
А - адренергический нейрон; Х - холинергические нейроны;
сплошная линия - преганглионарные волокна;
прерывистая - постганглионарные волокна
Наиболее значим в процессах выделения медиатора везикулярный экзоцитоз, состоящий из нескольких этапов. Первый этап - сопряжение деполяризации и секреции - реализируется с помощью Ca2+, который проникает в пресинаптические нервные окончания через медленные и быстрые кальцевые каналы. На место выделившихся везикул медиатора транспортируются по филаментам с затратой энергии новые гранулы медиатора. Источник энергии - АТФ. Если Ca2+ обеспечивает попадание медиатора в экзоцитозный карман, то происходит выдавливание медиатора с помощью актомиозина. Выведение Ca2+ из нервного окончания после его возбуждения осуществляется кальциевым насосом.
Инактивация медиатора. Примерно 75-80% выделившегося в синаптическую щель норадреналина захватывается обратно пресинаптической мембраной и поступает в пузырьки. Не попавший в пузырьки норадреналин разрушается моноаминоксидазой (МАО), локализованной на пресинаптической мембране. Часть выделившегося в синаптическую щель и не связавшегося с пост- и пресинаптическими рецепторами норадреналина разрушается в области рецепторов постсинаптической мембраны ферментом катехол-0-метилтрансферазой (КОМТ) клеток-эффекторов, часть медиатора диффундирует в интерстиций и кровь. Вклад МАО и КОМТ в процессы инактивации выделившихся в синаптическую щель катехоламинов невелик, а доля участия этих ферментов в разных органах и тканях различна: в ЦНС действует в основном МАО, в периферической симпатической нервной системе -КОМТ.
3. Эффекторные рецепторы. Выделившийся из симпатических окончаний норадреналин действует на б- и в-адренорецепторы, являющиеся гликопротеидами (см. рис. 1.3). Деление рецепторов основано на чувствительности их к различным фармакологическим препаратам: б-адренорецепторы блокируются фентоламином, а в-адренорецепторы - пропранололом. Оба типа рецепторов делятся на два подтипа: и , и адренорецепторы. Антагонистами адренорецепторов являются празозин, дроперидол, антагонистами адренорецепторов - раувольсин, йохимбин, адренорецепторов - практолол, атенолол, адренорецепторов - бутоксамин.
Распределение б- и в-адренорецепторов в различных органах. В большинстве органов, реагирующих на катехоламины, содержатся б- и в -адренорецепторы, причем одна гладкая мышечная клетка может иметь оба рецептора (табл. 1.1). В чистом виде выделены из мембраны б1-адренорецепторы. Они представляют собой белок с молекулярной массой 9600 и обусловливают сокращение сосудов, матки, семявыносящего протока, семенных пузырьков, мышц, поднимающих волосы, и расслабление продольного и циркулярного мышечных слоев кишечника.
Г. Связь симпатических окончаний с адренорецепторами. Считают, что симпатическую иннервацию имеют преимущественно б1- и в1-адренорецепторы (постсинаптические рецепторы). Активируются они в основном медиатором норадреналином. и в1-адренорецепторы, как правило, не имеют иннервации или она выражена слабо, они расположены вне синапсов на клетках-эффекторах и активируются циркулирующим в крови адреналином и диффундирующим норадреналином после его выделения пресинаптическими окончаниями. Эти адренорецепторы обнаружены также на пресинаптических окончаниях, где они выполняют регулирующую функцию. Прямая связь посредством синапса имеет место в сердце, жировой ткани, сосудах и в ряде гладкомышечных органов (мышцы зрачка, матки, мышца, поднимающая волосы, семявыносящий проток, кишечник). Непрямой тип регуляции, как известно, осуществляется в большинстве органов: в скелетной мускулатуре, эндокринных железах, многих экзокринных железах. В этих органах медиатор из сосудистых симпатических сплетений диффундирует к местным окружающим сосуд клеткам либо разносится кровью. Имеется и третий вариант связи симпатических (постганглионарных адренергических) нервных волокон - они образуют синаптические контакты с нейронами интраорганной нервной системы: либо с преганглионарными парасимпатическими волокнами, либо с постганглионарными парасимпатическими волокнами посредством б-рецепторов. Подобные взаимодействия симпатической и парасимпатической нервных систем установлены в органах пищеварительного тракта, предполагаются в сердце и мочевом пузыре.
Д. Эффекты активации б- и в-адренорецепторов и механизмы их реализации. В физиологических условиях реакция какого-либо органа на адреналин и норадреналин, поступающих с кровью либо выделяющихся при возбуждении симпатических нервов, зависит от преобладания б- или в-адренорецепторов в данном органе и различной их возбудимости. Активация б1- и б2-адренорецепторов мембран клеток-эффекторов ведет к деполяризации их и повышению функции органа, в том числе сфинктеров пищеварительного тракта. Мышцы желудка и кишечника при этом расслабляются. Однако если симпатический ствол раздражается в грудной полости, то, как правило, регистрируются не тормозные, а стимуляторные реакции желудка и двенадцатиперстной кишки. Стимуляторные реакции осуществляется, по-видимому, с помощью серотонинергических нервных волокон, имеющихся в составе симпатических стволов (рис. 1.4).
Активация в-адренорецепторов вызывает разнонаправленные эффекты в различных органах. Активация в -адренорецепторов в сердце (их назвали (в1 рецепторами, они хорошо иннервированны) ведет к деполяризации и возбуждению кардиомиоцитов, увеличению частоты и силы сердечных сокращений, повышению автоматии, облегчению атриовентрикулярной проводимости. При активации в-адренорецепторов эффекторных клеток гладкомышечных органов (их назвали в2-адренорецепторами, они менее иннервированны) возникает гиперполяризация, наблюдается снижение функции органа, в частности расширение сосудов.

Рис. 1.4. Функциональная организация эфферентного отдела вегетативной нервной системы (на примере пищеварительного тракта). Нейроны: А - адренергический, С - серотонинергический, Х - холинергический, П - перинергический и соответствующие им б-, в-, S-, N-, М- и Р-рецепторы;
сплошные линии - преганглионарные, прерывистые - постганглионарные нервные волокна

При одновременной активации б- и в-адренорецепторов сосуды суживаются вследствие преобладания б-адренорецепторов. Кроме того, при возбуждении обоих типов рецепторов возникают метаболические сдвиги с помощью вторых посредников: при активации б-адренорецепторов - инозитол-3-фосфата (ИФ3) и ионов Са2+; при стимуляции в-адренорецепторов - аденилатциклазы - цАМФ. Мессенджерами для котехоламинов являются также цГМФ, диацил-глицерин (ДАГ). При взаимодействии катехоламинов с рецепторами особо важную роль играет регуляторный G-белок. Этот белок играет важную роль в функционировании и других рецепторов: более 80 типов рецепторов связаны с ионными каналами или ферментами посредством G-белка.
Е. Мозговой слой надпочечников. Этот слой представляет собой видоизмененный симпатический ганглий. Его клетки, с онтогенетической точки зрения, гомологичны ганглионарным симпатическим нейронам. Они содержат включения, окрашивающиеся в желто-коричневый цвет двухромовокислым калием, что и послужило поводом назвать их хромаффинными клетками. В виде скоплений хромаффинные клетки встречаются на поверхности аорты, в области каротидного синуса, среди клеток симпатических ганглиев. Преганглионарные волокна образуют на этих клетках, как и на хромаффинных клетках надпочечников, возбуждающие холинергические синапсы. Выделение катехоламинов из мозгового вещества надпочечников регулируется исключительно нервными влияниями (перерезка преганглионарных симпатических волокон прекращает секрецию катехоламинов). При возбуждении преганглионарных волокон у человека в кровоток обычно выбрасывается смесь катехоламинов, состоящая из адреналина (80-90%) и норадреналина (10-20%). Точки приложения для продуцируемых надпочечниками катехоламинов те же, что и у симпатической нервной системы, однако их действие более выражено, чем симпатических нервов, в областях с редкой адренергической иннервацией (в циркулярных и продольных мышцах кишечника, крупных артериях, матке). Взаимодействие катехоламинов с адренорецепторами вызывает различные эффекты у разных органов, в частности торможение функции пищеварительного тракта, улучшение процесса передачи в нервно-мышечных синапсах и увеличение силы сокращений скелетных мышц, увеличение частоты и силы сокращений сердца, расширение бронхов. Все это имеет важное приспособительное значение, обеспечивая мобилизацию систем организма при физическом и эмоциональном напряжениях.
Катехоламины усиливают высвобождение свободных жирных кислот из подкожной жировой ткани и образование глюкозы и лактата из гликогена, необходимых клеткам организма при напряжении. Ускоренное расщепление углеводов осуществляется с помощью активации аденилатциклазы, стимулирующей образование цАМФ, который в свою очередь активирует фосфорилазу, расщепляющую гликоген - источник энергии. Таким образом, катехоламины мозгового слоя надпочечников можно рассматривать как метаболические гормоны. Не случайно симпатэктомированные животные не в состоянии осуществлять физические усилия, плохо переносят охлаждение и перегревание, с большим трудом справляются с кровотечением. У симпатэктомированных животных не бывает проявления характерных защитных реакций и показателей агрессивности: тахикардии, повышения артериального давления, расширения зрачков. Введение в организм ганглиозидов стимулирует рост новых синапсов, ускоряет реиннервацию после повреждения нервных волокон. Клетки, подобные хромаффинным мозгового слоя надпочечников, называют трансдукторами, их короткие аксоны не имеют синаптических контактов с другими клетками, они выделяют в кровь свои биологически активные вещества, называемые также гормонами. К клеткам-трансдукторам относят, кроме хромаффинных клеток, нейроны супраоптического и паравентрикулярного ядер гипоталамуса, выделяющие вазопрессин и окситоцин; нейроны гипоталамуса, выделяющие в сосудистую систему факторы, регулирующие функцию гипофиза; клетки юкстагломерулярного аппарата почки, которые под влиянием постганглионарных симпатических волокон выделяют в кровь ренин.
Таким образом, симпатическая нервная система вместе с мозговым слоем надпочечников (симпатико-адреналовая система) активирует деятельность всего организма, мобилизует его защитные силы, обеспечивает выход крови из кровяных депо, поступление в кровь глюкозы, ферментов, усиливает метаболизм тканей, увеличивает расход энергии. Возбуждение симпатической нервной системы является пусковым звеном стрессорных эмоционально окрашенных реакций.
Основные эффекты стимуляции симпатических нервов представлены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Влияния симпатических и парасимпатических нервов на органы
Орган
Симпатические эффекты
Тип рецептора
Парасимпатические эффекты (М-холино-рецепторы)
Сердце


Увеличение частоты и силы сокращений
в 1, 2
б
в1
преобладают
Уменьшение
частоты и силы
сокращений
Кровеносные сосуды

Сужение (преобладающий эффект)
Расширение (см. 13.9.1)
б


в2
Расширение (иннервация имеется только
в отдельных органах)
Гладкие мышцы:
бронхов
желудка и кишечника
мочевого пузыря (детрузор)
мочеточника
цилиарная
пиломоторные

Расслабление
»

»

»
»
Сокращение

в2
б 1 и в2

в2

в2
в2
б

Сокращение
Усиление моторики
Сокращение


»
»


Продолжение таблицы 1.1
Зрачок
Расширение
б
Сужение
Сфинктеры:



желудка
Сокращение
б 1
Расслабление
кишечника
»
б 1
»
мочевого пузыря
»
б 1
»
Матка
Сокращение
б 1


Расслабление(в зависимости от вида животного и гормонального фона)
в 2

Половой член
Эякуляция
б 1
Эрекция
Железы:



слюнные
Секреция
б
Секреция
желудка и кишечника
Торможение
б, в 2
»
поджелудочная:



секреция внешняя
Торможение
»
б
б
Усиление
»




секреция внутренняя потовые


Секреция
М-холинорецепторы + в
Секреция
Жировые клетки
Липолиз
в 1,2

Печень
Гликогенолиз
в 2


Гликонеогенез
в 2

Основной обмен
Повышение
в


1.1.3. Парасимпатическая нервная система

А. Иннервируемые органы и локализация нейронов. Парасимпатические нервные волокна имеются в составе черепных нервов (III пара - мезэнцефальный отдел; VII, IX и Х пары - бульбарный отдел) и в тазовом нерве - сакральный отдел спинного мозга (SII-SIV).
Парасимпатические волокна III пары (глазодвигательный нерв) иннервируют глазные мышцы (m. sphincter pupillae m. ciliaris), регулируя диаметр зрачка и степень аккомодации.
Парасимпатические ветви VII пары (лицевой нерв), а именно n. petrosus major (секреторный нерв) иннервирует слизистую оболочку носа, неба, слезную железу; барабанная струна (смешанный нерв) содержит чувствительные и секреторные волокна поднижнечелюстной и подъязычной слюнных желез. Парасимпатические секреторные волокна IX пары (языкоглоточный нерв) подходят к околоушной железе в составе n. auriculotemporalis от третьей ветви тройничного нерва. Ветви Х пары (блуждающий нерв) отходят к дыхательным органам, большей части пищеварительного тракта (до нисходящей ободочной кишки), сердцу, печени, поджелудочной железе, почке.
Парасимпатические нервы сакрального отдела спинного мозга иннервируют нисходящую часть ободочной кишки и тазовые органы (прямая кишка, мочевой пузырь, половые органы).
Парасимпатической иннервации не имеют скелетные мышцы, матка, мозг, значительное большинство кровеносных сосудов (кожи, органов брюшной полости, скелетных мышц), органы чувств и мозговое вещество надпочечников.
Парасимпатические ганглии и отдельные нейроны расположены внутри органов, а в тазовой области и в области головы - в непосредственной близости от органов. От нервных клеток парасимпатических ганглиев идут короткие постганглионарные парасимпатические волокна, иннервирующие все перечисленные ранее органы; преганглионарные волокна обычно длинные (у симпатической нервной системы наоборот: преганглионарные - короткие, постганглионарные - длинные).
Б. Медиаторы и рецепторы. 1. Проведение возбуждения с преганглионарного парасимпатического волокна на эффекторный нейрон осуществляется с помощью ацетилхолина (см. рис. 1.3). Медиатор действует на N-холинорецептор постсинаптической мембраны ганглионарного нейрона.
2. Постганглионарное волокно свое влияние на эффекторную клетку передает также с помощью ацетилхолина, который в парасимпатических терминалиях находится в трех фондах (пулах):
1) стабильный, прочно связанный с белком ацетилхолин, не готовый к освобождению;
2) мобилизационный, менее прочно связанный и пригодный к освобождению ацетилхолин;
3) готовый к освобождению ацетилхолин (активный медиатор), который освобождается квантами спонтанно и при поступлении к нервному окончанию потенциалов действия.
Активный медиатор локализуется в прилежащих к мембране пузырьках. Пузырьки с медиатором находятся в движении, и по мере расходования активного медиатора к пресинаптической мембране поступают новые пузырьки с активным ацетилхолином. Освобождению квантов медиатора способствует ион Са2+. Ацетилхолин синтезируется в цитоплазме окончаний холинергических нейронов, депонируется в везикулах по нескольку тысяч в каждой.
Инактивация медиатора. Выделившийся в синаптическую щель ацетилхолин, как и в любом другом синапсе, не весь используется для передачи сигнала. В отличие от симпатической нервной системы основная часть ацетилхолина разрушается ферментом ацетилхолинэстеразой с образованием холина и уксусной кислоты, которые захватываются пресинаптической мембраной и вновь используются для синтеза ацетилхолина. Значительно меньшая часть медиатора диффундирует в интерстиций и кровь. Обратного захвата нерасщепленного ацетилхолина нервными окончаниями не происходит. По поводу локализации ацетилхолинэстеразы существуют две точки зрения: согласно одной из них, фермент фиксирован на постсинаптической мембране вблизи холинорецепторов, согласно другой - на базальной мембране. Последняя представляет собой тонкую сеть коллагена и гликозоаминогликинов между пре- и постсинаптическими мембранами.
3. Эффекторные рецепторы. На клетки-эффекторы ацетилхолин действует с помощью М-холинорецепторов (см. рис. 1.3), которые свое название получили от мускарина - токсина мухомора, который возбуждает эти рецепторы и вызывает такой же эффект, как и ацетилхолин. Мускариноподобный эффект ацетилхолина был открыт позже. М-холинорецепторы имеются также на симпатических и парасимпатических окончаниях, в коре головного мозга, ретикулярной формации. По чувствительности к различным фармакологическим препаратам выделяют М1-М4-холинорецепторы. М1-холинорецепторы локализуются в вегетативных ганглиях и ЦНС, М3-холинорецепторы - в сердце, на пресинаптических окончаниях, гладких мышцах пищеварительного тракта. На гладких мышцах расположены также М3-холинорецепторы, имеются они и в большинстве экзокринных желез. М4-холинорецепторы изучены мало.
Некоторые симпатические нервные волокна (иннервирующие потовые железы, симпатические волокна, вызывающие расширение сосудов скелетных мышц) также являются холинергическими. Убедительного объяснения этому до настоящего времени нет. Сам по себе факт передачи сигнала с постганглионарных симпатических волокон посредством ацетилхолина установлен давно, многократно подтвержден в эксперименте и не вызывает сомнений. Однако постганглионарное симпатическое волокно является аксоном адренергического нейрона, в его окончаниях синтезируется норадреналин. Следовательно, либо симпатические преганглионарные волокна на своем пути где-то образуют синапсы с холинергическими нейронами, либо постганглионарные симпатические волокна образуют синапсы на постганглионарных парасимпатических терминалях и, возбуждая их, обеспечивают выделение ацетилхолина.
В. Эффекты возбуждения парасимпатической нервной системы (активации эффекторных М-холинорецепторов) проявляются сокращением гладких мышц пищеварительного тракта - усиливается перистальтика, сокращением мыщц бронхов - их просвет суживается, мочевого пузыря, сфинктера зрачка - зрачок суживается, сокращением ресничной мышцы глаза - хрусталик становится более выпуклым. Одновременно тормозится деятельность сердца, расширяются сосуды половых и некоторых других органов. Активация парасимпатических нервов сопровождается увеличением секреции всех желез, иннервируемых ими: пищеварительного тракта, слюнных, трахеи и бронхов. Сфинктеры желудочно-кишечного тракта и мочевого пузыря расслабляются. Парасимпатическая нервная система способствует восстановлению гомеостазиса, обеспечивая трофотропный эффект. Примером стимулирующего влияния парасимпатических нервов на гладкую мускулатуру является усиление сокращений желудка и кишечника при раздражении блуждающего нерва. Однако более слабое раздражение этого же нерва нередко вызывает противоположный эффект - угнетение сокращений органа.
Механизмы этого феномена до настоящего времени не раскрыты. Эффекты экзогенного ацетилхолина те же, что и парасимпатической нервной системы.
Г. Механизм действия ацетилхолина. Стимулирующее влияние ацетилхолина на любой орган осуществляется, во-первых, посредством изменения характера электрических процессов (вызов возбуждения его клеток); во-вторых, посредством биохимических реакций с помощью вторых посредников: инозитолтрифосфата, Са2+. Тормозной эффект ацетилхолина также возникает в результате изменения характера электрических процессов (гиперполяризация клеток эффектора). При этом активируются вторые посредники: гуанилатциклаза - циклический гуанозинмонофосфат (ГЦ - цГМФ).
Основные эффекты стимуляции парасимпатических нервов приведены в табл. 1.1, схема эфферентного отдела вегетативной нервной системы - на рис. 1.4.
1.1.4. Регуляция функции синапсов
Эффективность передачи в синапсе вегетативной нервной системы (ВНС) зависит от количества медиатора, выделяемого в синаптическую щель, которое определяется числом импульсов, пришедших к терминали: с увеличением импульсации выделение медиатора увеличивается до определенного значения, при ослаблении импульсации - уменьшается. Кроме того, важную роль в регуляции выделения медиатора в синаптическую щель постганглионарными окончаниями ВНС играют пресинаптические адрено- и холинорецепторы, имеющиеся на самих окончаниях. Эти рецепторы реализуют свое влияние по принципу отрицательной обратной связи, вызывающей противоположные эффекты: малые порции медиатора стимулируют его выделение, большие - угнетают.
А. Регуляция выделения норадреналина. На симпатических постганглионарных окончаниях имеются б2- и в2-адренорецепторы и М2-холинорецепторы. Активация М2-холинорецепторов и б2-адренорецепторов тормозит, а в2-адренорецепторов -стимулирует освобождение медиатора (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Ауторегуляция выделения медиатора симпатическими и парасимпатическими постганглионарными нервными окончаниями с помощью пресинаптических б2 и в2- адренорецепторов, М2-, N-холинорецепторов и их реципрокные взаимодействия. Пунктирные стрелки - угнетение, сплошные стрелки - увеличение выделения медиаторов; НА - норадреналин; АХ - ацетилхолин
Пресинаптические в2-адренорецепторы более чувствительны:
они активируются низкими концентрациями норадреналина и усиливают его секрецию. Пресинаптические б2-адренорецепторы менее чувствительны: активируются высокими концентрациями норадреналина и уменьшают его секрецию нервными окончаниями. Эффекторные клетки с помощью образуемых ими простагландинов группы Е также тормозят освобождение норадреналина из пресинаптических окончаний. Активация пресинаптических М2-холинорецепторов осуществляется ацетилхолином, выделяющимся из рядом расположенных парасимпатических окончаний. На окончаниях преганглионарных симпатических волокон имеются рецепторы к серотонину, гистамину, кортикостероидам и N-холинорецепторы, активация которых облегчает синаптическую передачу. М1-холинорецепторы, рецепторы дофамина, напротив, обеспечивают ингибирование секреции ацетилхолина преганглионарными симпатическими окончаниями.
Б. Регуляция освобождения ацетилхолина из пресинаптических окончаний постганглионарных волокон. Эта регуляция осуществляется также посредством нескольких, механизмов.
1. По принципу обратной связи - с помощью взаимодействия выделившегося в синаптическую щель ацетилхолина с М2- и N-xoлинорецепторами пресинаптической мембраны: связывание с М2-холинорецепторами тормозит, связывание с N-холинорецептора-ми усиливает выделение медиатора.
2. Ретроингибирование с помощью АТФ обеспечивается пуринорецепторами пресинаптической терминали. Большое количество АТФ выделяется в синаптическую щель под влиянием ацетилхолина из эффекторной клетки.
3. Тормозящее влияние норадреналина, выделяющегося из рядом расположенного симпатического синапса, обеспечивается в парасимпатическом синапсе действием на 02-рецепторы пресинаптической мембраны, что угнетает освобождение ацетилхолина, - перекрестное взаимное торможение активности симпатических и парасимпатических терминалей.
В. Эффективность передачи в синапсе. Передача в синапсе регулируется также числом рецепторов на постсинаптической мембране: при уменьшении выделения медиатора синтез рецепторов постсинаптической мембраной возрастает, чувствительность ее повышается (сенситизация); в случае увеличения выхода медиатора синтез рецепторов уменьшается, чувствительность постсинаптической мембраны снижается (десенситизация).
Одно и то же биологически активное вещество может выполнять функции медиатора и модулятора. Так, например, ацетилхолин и норадреналин, выделяемые из постганглионарных нервных окончаний, действуют не только на рецепторы эффекторных клеток, но одновременно регулируют выделение медиатора самими нервными окончаниями - проявляется их модулирующая роль (см. раздел 1.1.1, Б). Некоторые вещества, по-видимому, играют роль только модуляторов функции нервных окончаний и эффекторных клеток. Наиболее важными нейромодуляторами являются кортикостероиды, половые гормоны, АКТГ, соматостатин, ангиотензин, эндорфин, энкефалины, простагландины. Взаимодействие нейромодуляторов с клеточными внесинаптическими рецепторами вызывает изменение либо проницаемости клеточной мембраны, либо клеточного метаболизма в результате их проникновения в цитоплазму клеток. В обоих случаях это ведет к усилению влияния нервных волокон на эффекторную клетку.
1.1.5. Рефлекторный принцип нервной регуляции функции организма

Рефлекс - реакция организма на раздражение сенсорных рецепторов, осуществляемая с помощью нервной системы. Каждый рефлекс реализуется посредством рефлекторной дуги (рефлекторного кольца).
А. Рефлекторная дуга - это совокупность структур, при помощи
которых осуществляется рефлекс. Схематично рефлекторную дугу вегетативного и соматического рефлексов можно представить состоящей из 5 звеньев (рис. 1.6).








Рис. 1.6. Схема дуги вегетативного (справа) и соматического (слева) рефлексов. 1 - рецептор; 2 - афферентное звено; 3 - вставочный нейрон; 4 - эффекторный нейрон; 5 - эффектор


1. Рецептор предназначен для восприятия изменений внешней или внутренней среды организма, что достигается посредством трансформации энергии раздражения в нервный импульс. Совокупность рецепторов, раздражение которых вызывает рефлекс, называют рефлексогенной зоной. Последняя может содержать два вида рецепторов: например, синокаротидная и аортальная рефлексогенные зоны содержат механо- и хеморецепторы. Конкретные механизмы восприятия раздражителя (свет, звук, изменения химизма крови) различны у каждого вида рецепторов, но во всех случаях в рецепторе возникает рецепторный потенциал, обеспечивающий посылку нервного импульса в ЦНС.
2. Афферентный путь, передающий сигнал в ЦНС. Для соматической нервной системы это афферентный нейрон с его отростками, тело которого расположено в спинномозговых ганглиях или ганглиях черепных нервов. Импульс от рецептора поступает на дендрит афферентного нейрона, а по его аксону - в ЦНС.



Рис. 1.7. Схема многоэтажной дуги безусловного рефлекса по Асратяну). 1-5 - ветви центральной части дуги по разным уровням;
а - афферентная клетка;
m - эфферентная клетка











3. Вставочные нейроны ЦНС (рис. 1.6 и 1.7). В составе вегетативной нервной системы вставочные нейроны могут находиться вне ЦНС - интра- и (или) экстраорганно. Их назначение - обеспечение связи с другими отделами ЦНС, переработка и передача импульсов к эффекторному нейрону.
4. Эффекторный нейрон. Для соматической нервной системы это мотонейрон. Его назначение - вместе с другими нейронами ЦНС переработать информацию, сформировать ответ в виде нервных импульсов, посылаемых к 5-му звену рефлекторной дуги - эффектору (рабочий орган).
В простейшем случае рефлекторная дуга может быть двухнейронной - без вставочного нейрона. В условиях натуральной деятельности рефлекторная дуга является многоэтажной (см. рис. 1.7).
Б. Классификация рефлексов. Классифицируют рефлексы по нескольким критериям. В частности, по срокам появления рефлексов в онтогенезе их делят на две группы: врожденные (безусловные) и приобретенные (условные; подробнее см. раздел 6.3). Врожденные рефлексы делят также на несколько групп.
1. По биологическому значению выделяют пищедобывающие, половые, защитные (оборонительные), исследовательские, родительские рефлексы. Примером исследовательского рефлекса является ориентировочный рефлекс (рефлекс «что такое?») - поворот головы, глаз, туловища в сторону внезапно появившегося раздражителя.
2. В зависимости от числа синапсов в центральной части рефлекторной дуги различают моно- и полисинаптические рефлексы.
Примером моносинаптического рефлекса может служить рефлекс на растяжение четырехглавой мышцы - коленный разгибательный рефлекс, возникающий при ударе по ее сухожилию ниже коленной чашечки. Большинство рефлексов полисинаптические, в их осуществлении участвует несколько последовательно включенных нейронов ЦНС. От числа нейронов, участвующих в осуществлении рефлекса, зависит время рефлекса - длительность интервала от начала стимула до окончания ответной реакции. Этот интервал включает: 1) время трансформации энергии раздражения в распространяющийся импульс, что осуществляется с помощью рецептора; 2) время проведения возбуждения в афферентном пути, в центральной части рефлекторной дуги и в эфферентном пути; 3) время активации эффектора и его ответной реакции.
3. В зависимости от отдела нервной системы выделяют соматические и вегетативные рефлексы. Любой рефлекс возникает при раздражении сенсорных рецепторов.
4. По рецепторам, раздражение которых вызывает ответную реакцию, различают экстероцептивные, интероцептивные и проприоцептивные рефлексы.
5. По локализации рефлекторной дуги выделяют центральные рефлексы (их дуга проходит через ЦНС) и периферические рефлексы (их дуга замыкается вне ЦНС). Последними могут быть только вегетативные рефлексы, они подразделяются на интра- и экстраорганные.
1.1.6. Сенсорные рецепторы
А. Понятия. Различают сенсорные и эффекторные рецепторы. Сенсорные рецепторы воспринимают изменения внешней или внутренней среды организма и обеспечивают поступление информации в ЦНС. Эффекторные рецепторы рабочих органов - эффекторов (сердце, скелетная мышца, желудок и т.д.) воспринимают сигналы (команды) от нервной системы в виде нервных импульсов, они реагируют также на гуморальные вещества, циркулирующие в крови (гормоны, медиаторы, метаболиты). Нервные клетки передают сигналы друг другу также посредством рецепторов, которые тоже являются эффекторными. В данном разделе рассматриваются только сенсорные рецепторы.
Рецепторы (от лат. receptum - принимать) приспособлены воспринимать обычно какой-то один вид раздражителей (адекватный) и максимально чувствительны к нему. Например, рецепторы сетчатки реагируют на свет, но не возбуждаются при воздействии звукового раздражителя. К другим - неадекватным раздражителям - они малочувствительны. Однако неадекватные раздражители также могут возбудить сенсорные рецепторы. Например, механическое воздействие на глаз вызывает ощущение света, однако энергия неадекватного раздражителя должна быть во много раз больше энергии адекватного.
Б. Классификация сенсорных рецепторов. Нервная система отличается большим разнообразием рецепторов (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Различные типы рецепторных клеток. Стрелки указывают на участки действия раздражителей (по Г.Шеперду, 1987, с изменениями). 1,2- соматосенсорные рецепторы; 3 - мышечный рецептор;
4 - обонятельный рецептор; 5 - слуховой и вестибулярный рецепторы;
6 - вкусовой рецептор; 7 - зрительный рецептор

1. Согласно структурно-функциональной организации, различают первичные и вторичные рецепторы. Первичные рецепторы представляют собой чувствительные окончания дендрита сенсорного нейрона, тело нейрона расположено в спинномозговом ганглии или в ганглиях черепных нервов. В первичном рецепторе раздражитель действует непосредственно на окончания дендрита сенсорного нейрона.
Вторичные рецепторы имеют специальную клетку, синаптически связанную с окончанием дендрита сенсорного нейрона. Ко вторичным рецепторам относятся фоторецепторы, слуховые, вестибулярные, вкусовые рецепторы.
2. По скорости адаптации рецепторы делят на три группы: быстро адаптирующиеся (фазные), медленно адаптирующиеся (тонические) и смешанные (фазнотонические), адаптирующиеся со средней скоростью. Примером быстро адаптирующихся рецепторов являются кожные рецепторы вибрации (тельца Пачини) и прикосновения (тельца Мейснера). К медленно адаптирующимся рецепторам относятся проприорецепторы, рецепторы растяжения легких, болевые рецепторы. Со средней скоростью адаптируются фоторецепторы сетчатки, терморецепторы кожи.
3. В зависимости от вида воспринимаемого раздражителя выделяют 5 типов рецепторов. 1) Механорецепторы возбуждаются при механической их деформации. Они расположены в коже, внутренних органах, опорно-двигательном аппарате, слуховой и вестибулярной системах. 2) Хеморецепторы воспринимают химические изменения внешней и внутренней среды организма. Такие рецепторы есть в слизистой оболочке языка (вкусовые рецепторы), носа (обонятельные рецепторы), каротидном и аортальном тельцах, продолговатом мозге, гипоталамусе. 3) Терморецепторы воспринимают изменения температуры. Они подразделяются на тепловые и холодовые рецепторы, находятся в коже, сосудах, внутренних органах, в продолговатом и спинном мозге, в среднем мозге и гипоталамусе. 4) Фоторецепторы воспринимают световую (электромагнитную) энергию, расположены в сетчатке глаза. 5) Ноцицепторы (болевые рецепторы) отвечают на механические, термические, химические (гистамин, брадикинин, К+, Н+ и др.) раздражители. Болевые стимулы воспринимаются свободными нервными окончаниями.
4. По расположению в организме выделяют экстеро- и интерорецепторы. К экстерорецепторам относятся рецепторы кожи, видимых слизистых оболочек и органов чувств. Интерорецепторами являются рецепторы внутренних органов (висцерорецепторы), сосудов и ЦНС; проприорецепторы - рецепторы опорно-двигательного аппарата и вестибулярные рецепторы.
5. С психофизиологической точки зрения рецепторы подразделяются в соответствии с органами чувств и формируемыми ощущениями на зрительные, слуховые, тактильные, вкусовые и обонятельные.
6. В зависимости от степени специфичности рецепторов, т.е. способности отвечать на один или более видов раздражителей, выделяют мономодальные рецепторы, воспринимающие один вид раздражителей и полимодальные, воспринимающие два-три вида раздражителей. Мономодальными рецепторами являются зрительные, вкусовые, обонятельные. Различия в чувствительности к адекватным и неадекватным раздражителям у полимодальных рецепторов выражены меньше, чем у мономодальных. Пример полимодальных рецепторов - болевые рецепторы.
В. Свойства рецепторов. 1. Высокая возбудимость рецепторов. Например, волосковые рецепторы внутреннего уха способны обнаружить движение мембраны кортиева органа, равное диаметру атома водорода; для возбуждения фоторецептора сетчатки достаточно одного кванта света, обонятельного рецептора - одной молекулы пахучего вещества. Возбудимость различных рецепторов неодинакова. У висцерорецепторов она ниже, чем у экстерорецепторов. Высокая возбудимость рецепторов обеспечивает восприятие малейших изменений внутренней и внешней среды, что необходимо для надежной регуляции функций внутренних органов и приспособления организма в окружающей среде.
2. Спонтанная активность рецепторов. Многие виды рецепторов (фото-, фоно-, вестибуло-, термо-, хемо- и проприорецепторы) генерируют в окончании сенсорного нейрона потенциалы действия (ПД) в отсутствие раздражителя. Это связано со спонтанным колебанием мембранного потенциала в рецепторе, которое периодически достигает критического уровня деполяризации, что приводит к генерации ПД в нервном волокне. Возбудимость таких рецепторов выше, чем возбудимость рецепторов без фоновой активности. Значение фоновой активности рецепторов заключается в том, что она участвует в поддержании тонуса нервных центров в условиях физиологического покоя и бодрствующего состояния организма.
3. Адаптация рецепторов - уменьшение их возбудимости при длительном действии раздражителя. Процессы адаптации, формирующиеся на разных этапах преобразования информации, приводят к снижению амплитуды рецепторного потенциала и, как следствие, уменьшается частота импульсации сенсорного нейрона. Механизм адаптации рецепторов изучен недостаточно. Одним из факторов является накопление Са2+ внутри клетки при ее возбуждении, что может ингибировать каскад ферментативных реакций в рецепторе. Другим возможным механизмом действия Са2+ является активирование Са-зависимых калиевых каналов. Выход К+ через эти каналы из клетки препятствует деполяризации ее мембраны при формировании рецепторного потенциала.
Значение адаптации рецепторов заключается в том, что предотвращается избыточное поступление информации в ЦНС и устраняются неприятные ощущения.
Г. Механизм восприятия раздражителя, действующего на рецепторы. Несмотря на большое многообразие рецепторов, в каждом из них можно выделить два или три этапа преобразования энергии раздражения в нервный импульс в зависимости от структурной организации рецептора. Первый этап - возникновение рецепторного потенциала при действии раздражителя на рецептор - одинаковый для всех рецепторов.
Действие раздражителя способно вызывать конформационные изменения рецепторного белка. На данном этапе во многих рецепторах происходит усиление сигнала, так как энергия формирующегося рецепторного потенциала оказывается многократно (например, в фоторецепторе в 105 раз) больше пороговой энергии раздражения.
В рецепторах (кроме фоторецепторов) энергия раздражителя приводит к открытию натриевых каналов и появлению ионных токов, среди которых основную роль играет входящий натриевый ток. Он приводит к деполяризации мембраны рецептора. Считают, что в хеморецепторах открытие каналов связано с изменением формы (конформацией) белковых молекул, выполняющих функцию ворот, а в механорецепторах - с растяжением мембраны и расширением каналов. В фоторецепторах ионы натрия проникают в темноте в клетку, при действии света натриевые каналы закрываются, что уменьшает входящий натриевый ток. В связи с этим рецепторный потенциал представлен не деполяризацией, а гиперполяризацией вследствие выхода К+ из клетки при уменьшении входа Na+ в клетку.
Чтобы информация сенсорных раздражителей достигла ЦНС, рецепторный потенциал должен быть преобразован в ПД. В первичных и вторичных рецепторах это происходит разными способами. Второй этап в первичных и вторичных рецепторах протекает по-разному. В первичном рецепторе рецепторная зона является частью окончаний сенсорного нейрона. Возникший рецепторный потенциал вызывает деполяризацию в участке афферентного волокна, в котором возможно возникновение ПД. В миелиновых волокнах ПД возникает в ближайших перехватах Ранвье, в безмиелиновых - в ближайших участках, имеющих достаточную концентрацию потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов. Если деполяризация мембраны при этом достигает критического уровня, происходит генерация ПД (рис. 1.9), т.е. процесс возникновения возбуждения происходит в два этапа.
Во вторичных рецепторах преобразование энергии раздражения в нервный импульс происходит в три этапа. На I этапе возникает рецепторный потенциал в эпителиальной рецепторной клетке, синаптически связанной с окончанием сенсорного нейрона. Рецепторный потенциал вызывает выделение в синаптическую щель медиатора. Под влиянием медиатора на постсинаптической мембране возникает генераторный потенциал (возбуждающий постсинаптический потенциал) - это II э т а п. III этап - возникновение ПД в нервном волокне вблизи постсинаптической мембраны под влиянием генераторного потенциала.


Рис. 1.9. Типичные взаимоотношения между рецепторным потенциалом и потенциалом действия при сверхпороговом уровне рецепторного потенциала. (по А. Гайтону, 1986, с изменениями). КУД - критический уровень деполяризации; РП -рецепторный потенциал; МП - мембранный потенциал

После поступления афферентных импульсов от рецепторов (рефлексогенных зон) в нервный центр формируется ответная рефлекторная реакция организма на раздражения. Основные положения рефлекторного принципа регуляции сформировались на протяжении весьма длительного отрезка времени.
1.1.7. Развитие концепции рефлекса. Нервизм и нервный центр
А. Основные положения рефлекторного принципа деятельности ЦНС были разработаны на протяжении примерно двух с половиной веков. Можно выделить пять основных этапов развития этой концепции.
Этап I - заложены основы понимания рефлекторного принципа деятельности ЦНС французским естествоиспытателем и математиком Р.Декартом (XVII в.). Р.Декарт считал, что «все вещи и явления можно объяснить естественнонаучным путем». Эта исходная позиция позволила Р.Декарту сформулировать два важных положения рефлекторной теории:
1) всякая реакция на внешнее воздействие является отраженной (впоследствии ее стали называть рефлекторной);
2) ответная реакция на раздражение осуществляется при помощи нервной системы. Однако Р. Декарт был дуалистом.
По Р.Декарту, нервы - это трубочки, по которым с огромной скоростью движутся животные духи, материальные частицы неизвестной природы, по нервам они попадают в мышцу и мышца раздувается (сокращается).
Этап II - экспериментальное обоснование материалистических представлений о рефлексе (XVII-XIX вв.). В частности, было установлено, что рефлекторная реакция может осуществляться на одном метамере лягушки (сегмент спинного мозга, связанный с «кусочком тела»). Выявлено, что стимулы могут быть не только внешними, но и внутренними, установлена роль задних - чувствительных и передних - двигательных корешков спинного мозга (закон Белла - Мажанди).
Весьма активно сегментарные рефлексы изучал Ч.Шеррингтон (конец XVIII- начало XIX в.).
Этап III - победа материалистических представлений о психической деятельности (И.М.Сеченов, 60-е гг. XIX в.). Наблюдая за развитием детей, И.М.Сеченов пришел к заключению, что в основе формирования психической деятельности лежит принцип рефлекса. Это положение он выразил следующей фразой: «Все акты сознательной и бессознательной жизни по способу происхождения суть рефлексы». Таким образом, И.М.Сеченов стал на путь детерминизма в вопросах психической деятельности человека. При изучении рефлексов он обосновал приспособительный характер изменчивости рефлекса, открыл торможение рефлексов (центральное торможение; 1863), суммацию возбуждения в ЦНС (1868).
Этап IV - разработаны основы учения о высшей нервной деятельности (И.П.Павлов, начало XX в.). И.П.Павлов открыл условные рефлексы и использовал их как объективный метод изучения психической деятельности (высшей нервной деятельности - по И.П.Павлову). Он сформулировал 3 принципа рефлекторной теории:
1. Принцип детерминизма (принцип причинности), согласно которому любая рефлекторная реакция причинно обусловлена.
2. Принцип структурности, суть которого заключается в том, что каждая рефлекторная реакция осуществляется с помощью определенных структур и чем больше структурных элементов участвует в осуществлении этой реакции, тем она совершеннее.
3. Принцип единства процессов анализа и синтеза в составе рефлекторной реакции: нервная система анализирует (различает) с помощью рецепторов все действующие внешние и внутренние раздражители и на основании этого анализа формирует целостную ответную реакцию (синтез).
Этап V - создано учение о функциональных системах (П.К.Анохин, середина XX в.; см. раздел 1.5).
Б. Нервизм - это концепция, признающая ведущую роль нервной системы в регуляции функций всех органов и тканей организма (физиологический нервизм). Концепция нервизма прошла весьма длинный исторический путь своего развития. Почву для этой концепции подготовил Р.Декарт (1596-1650), выдвинувший идею о рефлекторном принципе деятельности нервной системы. Ф.Гофман (1660-1742) сформулировал гипотезу о влиянии нервов на «все перемены в здоровом и больном состоянии». Согласно У.Кулену (1712-1790), все процессы в здоровом и больном организме регулирует «нервный принцип», который проявляет свое действие через головной мозг при посредстве нервов - проводников нервной деятельности. По мнению Е.О.Мухина (1817), «все человеческое тело вообще можно, отвлекаясь, рассматривать как построенное из нервов, ибо остальные части тела, видимо, существуют вследствие нервов, как управляющих их способностями».
Велики заслуги в развитии концепции нервизма И.М.Сеченова (1829-1905) и С.П.Боткина (1832-1889). По мнению С.П.Боткина, организм - это целостная система, деятельность которой направляется и регулируется нервной системой. Он рассматривал различные заболевания как следствие нарушения нормальных нервных соотношений - клинический нервизм. Нарушение «регуляторных нервных аппаратов» может явиться причиной ряда болезней человека, что убедительно подтверждено клиническими наблюдениями.
Выдающийся вклад в развитие концепции физиологического нервизма сделал И.П.Павлов (1849-1936). Он обосновал представление о трофическом влиянии нервной системы на органы и ткани, сформулировал принципы рефлекторной теории, доказал важную роль нервной системы в регуляции секреции желез пищеварительного тракта, открыл условные рефлексы и с их помощью разработал основы учения о высшей нервной деятельности.
В. Нервный центр - это совокупность нейронов, расположенных на различных уровнях ЦНС, достаточных для приспособительной регуляции функции органа согласно потребностям организма. Например, нейроны дыхательного центра локализуются и в спинном мозге, и в продолговатом мозге, и в мосту. Однако среди нескольких групп клеток, расположенных на различных уровнях ЦНС, обычно имеется главная часть центра. Главная часть дыхательного центра находится в продолговатом мозге и включает инспираторные и экспираторные нейроны.
Нервный центр реализует свое влияние на эффекторы либо непосредственно с помощью эфферентных импульсов соматической и вегетативной нервных систем, либо с помощью активации выработки соответствующих гормонов. Кроме нервной регуляции, в организме существуют гуморальный и миогенный механизмы регуляции. Гуморальный механизм регуляции функций органов и тканей организма осуществляется с помощью гормонов, медиаторов, метаболитов и тканевых гормонов.
1.2. ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ

У рефлекторной реакции может быть гормональное звено, что характерно для регуляции функций внутренних органов - вегетативных функций в отличие от соматических функций, рефлекторная регуляция которых осуществляется только нервным путем (деятельность опорно-двигательного аппарата). Гормональное звено включается за счет дополнительной выработки биологически активных веществ. Например, при действии на экстерорецепторы сильных раздражителей (холод, жара, болевой раздражитель) возникает мощный поток афферентных импульсов, поступающих в ЦНС, при этом в кровь выбрасывается дополнительное количество адреналина мозговым слоем надпочечников и гормонов коры надпочечников, играющих адаптивную (защитную) роль.
А. Понятия. Гормоны - биологически активные вещества, вырабатываемые эндокринными железами или специализированными клетками, находящимися в различных органах (например, в поджелудочной железе, пищеварительном тракте).
По месту действия на органы-мишени или на другие эндокринные железы гормоны делят на две группы:
1. Эффекторные гормоны, действующие на клетки-эффекторы (например, инсулин, регулирующий обмен веществ в организме, повышает синтез гликогена в клетках печени, увеличивает транспорт глюкозы и других веществ через клеточную мембрану, повышает интенсивность синтеза белка).
2-Тропные гормоны, действующие на другие эндокринные железы и регулирующие их функции (например, адренокортикотропный гормон гипофиза - АКТГ регулирует выработку гормонов корой надпочечников).
Б. Виды влияния гормонов. Гормоны оказывают два вида влияния на органы, ткани и системы организма: функциональное (играют весьма важную роль в регуляции функций организма) и морфогенетическое - обеспечивают морфогенез (рост, физическое, половое и умственное развитие. Например, при недостатке тироксина страдает развитие ЦНС, следовательно, и умственное развитие).
1. Функциональное влияние гормонов бывает трех видов: пусковое, модулирующее и пермиссивное.
1) Пусковое влияние - это способность гормона запускать деятельность эффектора. Например, адреналин запускает распад гликогена в печени и выход глюкозы в кровь; вазопрессин (антидиуретический гормон - АДГ) включает реабсорбцию воды из собирательных трубок нефрона в интерстиций почки.
2) Модулирующее влияние гормона - изменение интенсивности протекания биохимических процессов в органах и тканях. Например, активация окислительных процессов тироксином, которые могут происходить и без него; стимуляция деятельности сердца адреналином, которая возможна и без адреналина. Модулирующим влиянием гормонов является также изменение чувствительности ткани к действию других гормонов. Например, фолликулин усиливает действие прогестерона на слизистую оболочку матки, тиреоидные гормоны усиливают эффекты катехоламинов.
3) Пермиссивное влияние гормонов - способность одного гормона обеспечивать реализацию эффекта другого гормона. Например, инсулин необходим для проявления действия соматотропного гормона, фоллитропин необходим для реализации эффекта лютропина.
2. Морфогенетическое влияние гормонов (рост, физическое и половое развитие) подробно изучается другими дисциплинами (гистология, биохимия) и лишь частично - в курсе физиологии. Оба вида влияния гормонов (морфогенетическое и функциональное) реализуются с помощью метаболических процессов, запускаемых посредством клеточных ферментных систем.
В. Механизм действия гормонов. Если клеточная мембрана непроницаема для гормона, то эффекторные рецепторы расположены на ее поверхности (белково-полипептидные и аминокислотные гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной железы, мозгового слоя надпочечников водорастворимы, но не растворимы в липидах). Если клеточная мембрана проницаема для гормона, то эффекторные рецепторы для этих гормонов расположены в основном в цитоплазме (стероидные гормоны - кортикоиды и половые гормоны растворимы в липидах). Гормоны щитовидной железы могут проникать в клетку только в комплексе со специальным белком плазмы крови, посредством эндоцитоза. Их рецепторы расположены как на поверхности клеточной мембраны, так и в цитоплазме.
Гормонрецепторный комплекс белково-пептидных гормонов и производных аминокислот активирует мембранные ферменты, что ведет к образованию вторых посредников, реализующих свое действие в цитоплазме и ядре клетки. Ими являются: 1) аденилатциклаза - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ); 2) гуанилатциклаза - циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ); 3) фосфолипаза С - инозитолтрифосфат (ИФз); 4) ионизированный кальций - кальмодулин (белок немышечных клеток) или тропонин С - в мышечных клетках. Гормонрецепторный комплекс стероидных гормонов и гормонов щитовидной железы, проникающих в клетку, соединяется в клетке с эффекторным рецептором - белком. Этот комплекс поступает в клеточное ядро, где происходит соединение с ядерным рецептором, после чего реализуется влияние данного гормона на клетку. Часть эффектов стероидных гормонов, как и гормонов щитовидной железы, реализуется посредством рецепторов, расположенных на клеточной мембране и вторых посредников, как и у белково-пептидных гормонов.
Действие гормонов прекращается с помощью тканевых ферментов и ферментов самих эндокринных желез, печени, почек. Многие продукты расщепления гормонов также активны и вызывают иногда сходные эффекты. Продукты распада гормонов выводятся главным образом почками, а также слюнными и потовыми железами, железами пищеварительного тракта и с желчью.


Схема 1.1. Механизм гипоталамо-гипофизарных взаимодействий в регуляции выработки гормонов.
АКТГ-адренокортикотропный гормон (кортикотропин), ТТГ - тиреотропный гормон (тиреотропин), ФСГ - фолликулостимулирующий гормон (фоллитропин), ЛГ - лютеинизирующий гормон (лютропин), АДГ - антидиуретический гормон
Примечание. Сплошные стрелки - стимулирующее влияние, пунктирные - угнетающее.

Г. Регуляция выработки гормонов осуществляется непосредственно нервной системой, но главным образом с помощью гормонов гипофиза, функция которого регулируется в свою очередь гормонами гипоталамуса - нейрогормонами (схема 1.1). Для некоторых эндокринных желез основным механизмом регуляции является местная саморегуляция. Так, секреция инсулина и глюкагона панкреатическими островками (островки Лангерганса) регулируется уровнем глюкозы в крови. Если концентрация глюкозы в крови высокая, то по принципу обратной отрицательной связи стимулируется выработка инсулина, который снижает концентрацию глюкозы в крови с помощью увеличения утилизации ее клетками организма и увеличения отложения в виде гликогена в клетках печени, в результате чего снижается (нормализуется) концентрация глюкозы в крови. В случае снижения концентрации глюкозы в крови выработка инсулина уменьшается, выработка глюкагона клетками островков Лангерганса возрастает (глюкагон увеличивает преобразование гликогена печени в глюкозу и выход ее в кровь). Секреция кальцийрегулирующих гормонов (паратирина и кальцитонина) также регулируется по принципу обратной отрицательной связи - за счет концентрации кальция в крови.

1.3. РЕГУЛЯЦИЯ С ПОМОЩЬЮ МЕТАБОЛИТОВ И ТКАНЕВЫХ ГОРМОНОВ. МИОГЕННЫЙ МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ
А. Метаболиты - продукты, образующиеся в организме в процессе обмена веществ как результат различных биохимических реакций.
Это аминокислоты, нуклеотиды, коферменты, угольная, молочная, пировиноградная, адениловая кислоты, ионный сдвиг, что сопровождается изменением рН. Регуляция с помощью метаболитов на ранних этапах филогенеза была единственной. Метаболиты одной клетки непосредственно влияли на другую - соседнюю - клетку или группу клеток, которые в свою очередь таким же способом действовали на следующие клетки (контактная регуляция). С появлением гемолимфы и сосудистой системы метаболиты с движущейся гемолимфой стали передвигаться к другим клеткам организма, даже расположенным на большом расстоянии, причем процесс стал осуществляться быстрее. Затем появилась нервная система как регулирующая система, а еще позже - эндокринные железы. Метаболиты действуют в основном местно, но могут влиять и на другие органы и ткани, на активность нервных центров. Например, накопление угольной кислоты в крови ведет к возбуждению дыхательного центра и усилению дыхания. Примером местной гуморальной регуляции может служить гиперемия интенсивно работающей скелетной мышцы: накапливающиеся метаболиты обеспечивают расширение кровеносных сосудов, что увеличивает доставку кислорода и питательных веществ к мышце. Подобные регуляторные влияния метаболитов происходят и в других активно работающих органах и тканях организма.
Б. Тканевые гормоны: биогенные амины (гистамин, серотонин), простагландины и кинины. Они занимают промежуточное положение между гормонами и метаболитами как гуморальными веществами регуляции. Эти вещества свое регулирующее влияние оказывают на клетки тканей посредством изменения их биофизических свойств (проницаемость мембран, их возбудимость), интенсивности обменных процессов, чувствительности клеточных рецепторов, образования вторых посредников. В результате влияния тканевых гормонов меняется чувствительность клеток к нервным и гуморальным влияниям. Поэтому тканевые гормоны называют модуляторами регуляторных сигналов - они оказывают модулирующее влияние. Тканевые гормоны образуются неспециализированными клетками, но действуют посредством специализированных клеточных рецепторов: например, для гистамина обнаружено два вида рецепторов – H1 и Н2. Известно, что тканевые гормоны влияют на проницаемость клеточных мембран: они регулируют поступление в клетку и выход из нее различных веществ и ионов, определяющих мембранный потенциал, а значит, и ПД.
В. Миогенный механизм регуляции. С развитием мышечной системы в процессе эволюции миогенный механизм регуляции функций постепенно становится все более заметным. Организм человека по своей массе примерно на 50% состоит из мышц. Это скелетная мускулатура (40% от массы тела), мышца сердца, гладкие мышцы кровеносных и лимфатических сосудов, стенки пищеварительного тракта, желчного и мочевого пузырей и других внутренних органов. Сущность миогенного механизма регуляции состоит в том, что предварительное умеренное растяжение скелетной или сердечной мышцы увеличивает силу их сокращений. Сократительная активность гладкой мышцы также зависит от степени наполнения полого мышечного органа, а значит, и его растяжения. При увеличении наполнения органа тонус гладкой мышцы сначала возрастает, а затем возвращается к исходному уровню (пластичность гладкой мышцы), что обеспечивает регуляцию тонуса сосудов и наполнение внутренних полых органов без существенного повышения давления в них (до определенной величины). Кроме того, большинство гладких мышц обладает автоматией, они постоянно находятся в некоторой степени сокращения под влиянием импульсов, возникающих в них самих (например, мышцы кишечника, кровеносных сосудов). Импульсы, поступающие к ним по вегетативным нервам, оказывают модулирующее влияние - увеличивают или уменьшают тонус гладких мышечных волокон.
1.4. ЕДИНСТВО И ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛЯТОРНЫХ МЕХАНИЗМОВ. ФУНКЦИИ ГЕМАТОЭНЦЕФАЛИЧЕСКОГО БАРЬЕРА
А. Единство регуляторных механизмов заключается в их взаимодействии. Так, например, увеличение содержания углекислого газа в крови возбуждает хеморецепторы аортальной и синокаротидной рефлексогенных зон, при этом увеличивается поток импульсов по соответствующим нервам в ЦНС, а оттуда - к дыхательной мускулатуре, что ведет к учащению и углублению дыхания. Углекислый газ действует на дыхательный центр и непосредственно, что также вызывает усиление дыхания. Воздействие холодного воздуха на терморецепторы кожи увеличивает поток афферентных импульсов в ЦНС. Это в свою очередь ведет к выбросу гормонов, повышающих интенсивность обмена веществ, и к увеличению теплопродукции.
Б. Особенности нервного и гуморального механизмов регуляции функций организма.
1. Нервная система в отличие от гуморального механизма регуляции организует ответные реакции на изменение внешней среды организма. Пусковым звеном в нейрогуморальной регуляции при изменении внутренней среды также нередко является нервная система.
2. У нервного и гуморального механизмов регуляции функций различные способы связи: у нервной системы - нервный импульс как универсальный сигнал, а у гуморального механизма связь с регулируемым органом или тканью осуществляется с помощью различных химических веществ. Таковыми являются гормоны, медиаторы, метаболиты и так называемые тканевые гормоны. Некоторые медиаторы, например катехоламины, попадая в кровь, могут действовать не только в месте их выделения нервными окончаниями, но и на другие органы и ткани организма, т.е. выступать в роли гуморальных веществ, участвующих в регуляции функций других органов организма.
3. У нервного и гуморального механизмов регуляции функций организма различная точность связи. Химические вещества, попадая в кровь, разносятся по всему организму и действуют нередко на многие органы и ткани - это системный (генерализованный) характер влияния. Например, адреналин, тироксин, попадая в кровь, разносятся по всему организму и действуют на клетки всех органов и тканей организма. Нервная система может оказывать точное, локальное влияние на отдельный орган или даже на группу клеток этого органа. Так, нервная система может вызывать сокращения мышц указательного или другого какого-либо пальца руки, не вызывая сокращения мышц всей конечности или даже отдельных других пальцев. Следует заметить, что и у гуморального механизма нередко имеется точный адресат воздействий. АКТГ, например, хотя и разносится с кровью по всему организму, но действует только на кору надпочечников. Тиреотропный гормон (ТТГ) регулирует функцию щитовидной железы. В свою очередь и нервная система может оказывать генерализованное влияние. Например, возбуждение симпатической нервной системы в экстремальных условиях ведет к мобилизации ресурсов всего организма для достижения цели (стимулируется деятельность сердечно-сосудистой, дыхательной и эндокринной систем).
4. У нервного и гуморального механизмов регуляции различная скорость связи: относительно медленно распространяются химические вещества с током крови (самая большая скорость в аорте - 0,25 м/с, а самая маленькая - в капиллярах - 0,3-0,5 мм/с). Частица крови проходит один раз через весь организм (большой и малый круг кровообращения) за 22 с. Нервный импульс распространяется со скоростью до 120 м/с.
5. Гормональные механизмы регуляции подчиняются нервной системе, которая передает свое влияние на эндокринные железы непосредственно или с помощью нейропептидов и своих медиаторов (посредников), выделяемых нервными окончаниями и действующих на специальные, чувствительные к медиаторам структуры - рецепторы.
6. У гуморального механизма регуляции нередко наблюдается противоположное влияние биологически активных веществ на один и тот же орган в зависимости от точки приложения действия этого химического вещества. Так, угольная кислота, действуя прямо на кровеносные сосуды, вызывает их расширение, а посредством возбуждения центра кровообращения - сужение. Адреналин при непосредственном действии на сердце стимулирует его работу, а при введении в цереброспинальную жидкость, возбуждая центры блуждающих нервов, тормозит работу сердца. Поэтому результат действия химического вещества может зависеть от того, проникает оно в цереброспинальную жидкость через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) или нет (регулирующая функция ГЭБ).
В. Функции ГЭБ. Регулирующая функция ГЭБ заключается и в том, что он формирует особую внутреннюю среду мозга, обеспечивающую оптимальный режим деятельности нервных клеток. Считают, что барьерную функцию при этом выполняет особая структура стенок капилляров мозга. Их эндотелий имеет очень мало пор, узкие щелевые контакты между клетками почти не содержат «окошек». Составной частью барьера являются также глиальные клетки, образующие своеобразные футляры вокруг капилляров, покрывающие около 90% их поверхности. Наибольший вклад в развитие представлений о ГЭБ внесли Л.С.Штерн и сотр. Этот барьер пропускает воду, ионы, глюкозу, аминокислоты, газы, задерживая многие физиологически активные вещества: адреналин, серотонин, дофамин, инсулин, тироксин. Однако в нем существуют «окна», через которые соответствующие клетки мозга - хеморецепторы получают прямую информацию о наличии в крови гормонов и других, не проникающих через барьер веществ; клетки мозга выделяют и свои нейросекреты (см. раздел 1.2). Зоны мозга, не имеющие собственного ГЭБ, - это гипофиз, эпифиз, некоторые отделы гипоталамуса и продолговатого мозга. ГЭБ выполняет также защитную функцию: предотвращает попадание микроорганизмов, чужеродных или токсических веществ экзо- и эндогенной природы в межклеточные пространства мозга. ГЭБ не пропускает многие лекарственные вещества, что необходимо учитывать в медицинской практике.
1.5. СИСТЕМНЫЙ ПРИНЦИП РЕГУЛЯЦИИ
1.5.1. Структура функциональных систем и мультипараметрический принцип их взаимодействия

Поддержание констант внутренней среды организма осуществляется с помощью регуляции деятельности различных органов и физиологических систем, объединенных в одну функциональную систему. Представление о функциональных системах разработал П.К.Анохин (1898-1974). В последние годы теория функциональных систем успешно развивается К. В. Судаковым.
А. Структура функциональной системы. Функциональная система - динамическая, избирательно объединенная центрально-периферическая организация, деятельность которой направлена на достижение полезного для организма приспособительного результата. Она включает следующие элементы:
• управляющее устройство - нервный центр, представляющий объединение ядер различных уровней ЦНС;
• выходные каналы нервного центра (нервы и гормоны);
• исполнительные органы - эффекторы, обеспечивающие в ходе физиологической деятельности поддержание регулируемого процесса (константы) на некотором оптимальном уровне (полезный результат деятельности функциональной системы);
• рецепторы результата (сенсорные рецепторы) - датчики, воспринимающие информацию о параметрах отклонения регулируемого процесса (константы) от оптимального уровня;
• каналы обратной связи - входные каналы, информирующие нервный центр с помощью импульсаций от рецепторов результата или на основе изменений химического состава тех или иных жидкостей организма о достаточности либо недостаточности эффекторных усилий по поддержанию регулируемого процесса (константы) на оптимальном уровне (схема 1.2). Афферентные импульсы от рецепторов результата по каналам обратной связи поступают в нервный центр, регулирующий ту или иную константу. Например, при увеличении артериального давления в большей степени начинают раздражаться барорецепторы рефлексогенных сосудистых зон, в результате чего увеличивается поток импульсов в ЦНС - в центр кровообращения. Взаимодействие нейронов этого центра и изменение интенсивности эфферентной импульсации ведут к ослаблению деятельности сердца и расширению кровеносных сосудов. Артериальное давление крови снижается. Возможны флюктуации величины артериального давления, но после ряда колебаний оно возвращается к нормальной величине. Если описанного механизма оказалось недостаточно и давление остается повышенным, включаются дополнительные регуляторные механизмы, в частности возрастает переход жидкости из кровеносного русла в межклеточное пространство (интерстиций), включается эндокринная система, больше воды выводится из организма почками. Совокупность перечисленных процессов ведет к нормализации артериального давления. При снижении артериального давления эти механизмы работают в противоположном направлении. Подобным образом работают и другие гомеостатирующие функциональные системы.

Схема 1.2. Функциональная система регуляции констант организма (по П.К.Анохину, с изменениями)
При изменении интенсивности работы эффектора меняется интенсивность метаболизма, что также играет важную роль в регуляции деятельности органов той или иной функциональной системы. Например, при усилении сокращений мышцы увеличивается интенсивность обмена веществ, в кровь выделяется значительно больше метаболитов. Последние действуют, во-первых, непосредственно на орган-эффектор (в данном случае это приводит к расширению кровеносных сосудов и улучшению кровоснабжения органа, что весьма важно). Во-вторых, метаболиты, попадая в кровь, а с кровью в ЦНС, действуют также и на соответствующие центры, изменение активности которых вносит необходимые корригирующие влияния на органы и ткани организма. В-третьих, метаболиты воздействуют также на рецепторы рабочего органа (или органов) - рецепторы результата, что тоже отражается на активности рецепторов и, естественно, на импульсации в афферентных путях, проводящих импульсы в ЦНС по принципу обратной связи.
Архитектура различных функциональных систем принципиально одинакова, что называют изоморфизмом. Вместе с тем функциональные системы могут отличаться друг от друга по степени разветвленности как центральных, так и периферических механизмов. Необходимо подчеркнуть, что системообразующим фактором, выступающим в качестве инструмента включения тех или иных органов, тканей, механизмов в функциональную систему, является полезный для жизнедеятельности организма приспособительный результат - конечный продукт физиологической активности функциональной системы.
Ряд гомеостатических функциональных систем представлен исключительно внутренними, генетически детерминированными механизмами вегетативной нервно-гормональной регуляции и не включает механизмы поведенческой соматической регуляции. Примером являются функциональные системы, определяющие оптимальные для обмена веществ организма кровяное давление, содержание ионов в крови, не изменяющих осмолярность и не вызывающих чувство жажды, рН внутренней среды организма. Другие гомеостатические функциональные системы включают целенаправленное поведение во внешней среде на базе доминирующих мотивационных возбуждений, отражающих сдвиги различных показателей метаболизма. В этом случае системообразующим фактором является также и мотивация. Примерами таких функциональных систем могут служить системы, обеспечивающие поддержание оптимального уровня питательных веществ, осмотического давления и объема жидкости в организме, температуры внутренней среды организма. В подобном случае опорно-двигательный аппарат выступает как составная часть эффектора - рабочего органа. При этом реагируют многие внутренние органы, обеспечивающие усиление сократительной деятельности скелетной мускулатуры, - это тоже составная часть эффектора. В частности, усиливается деятельность сердца, стимулируется дыхание.
Б. Мультипараметрический принцип взаимодействия различных функциональных систем. Это принцип, определяющий обобщенную деятельность функциональных систем. Относительная стабильность показателей внутренней среды организма является результатом согласованной деятельности многих функциональных систем. Выяснилось, что различные константы внутренней среды организма оказываются взаимосвязанными. Это проявляется в том, что изменение величины одной константы может привести к изменению параметров других констант. Например, избыточное поступление воды в организм сопровождается увеличением объема циркулирующей крови, повышением артериального давления, снижением осмотического давления плазмы крови. В функциональной системе, поддерживающей оптимальный уровень газового состава крови, одновременно осуществляется взаимодействие рН, и. Изменение одного из этих параметров немедленно приводит к изменению количественных характеристик других параметров.
На основе принципа мультипараметрического взаимодействия все функциональные системы гомеостатического уровня фактически объединяются в функциональную систему гомеостазиса (К. В. Судаков). Компоненты такой системы ориентированы на поддержание отдельных показателей внутренней среды организма. Другие компоненты ориентированы на достижение некоторых поведенческих результатов (поведенческое звено регуляции) в соответствии с глобальными потребностями организма поддержать всю совокупность показателей внутренней среды организма (см. схему 1.2).
Для достижения любого приспособительного результата формируется соответствующая функциональная система.
1.5.2. Системогенез
Согласно данным П.К.Анохина, системогенез - избирательное созревание и развитие функциональных систем в анте- и постнатальном онтогенезе. В отличие от понятия «морфогенез» (А.Н.Северцев), отражающего развитие органов в онтогенезе, термин «системогенез» отражает развитие в онтогенезе различных по функции и локализации структурных образований, которые объединяются в полноценную функциональную систему, обеспечивающую новорожденному выживание.
В настоящее время термин «системогенез» применяется в более широком смысле, при этом под системогенезом понимают процессы не только онтогенетического формирования, но и преобразование функциональных систем в ходе жизнедеятельности организма. Примеры динамичных перестроек функциональных систем можно найти, анализируя активность индивидуумов при формировании новых навыков. Так, системные механизмы достижения полезных результатов на начальном этапе формирования навыков и на этапе автоматизированных навыков будут различными прежде всего по объему мышечных усилий и уровню их вегетативного обеспечения.
Общие принципы формирования функциональных систем в онтогенезе по П.К.Анохину.
1. Системообразующим фактором функциональной системы любого уровня является полезный для жизнедеятельности организма приспособительный результат, необходимый в данный момент. Этому правилу подчиняется и процесс созревания различных функциональных систем на разных этапах онтогенеза, и деятельность функциональных систем зрелого организма. Примерами могут служить поддержание различных физиологических констант (артериальное давление, осмотическое давление, рН внутренней среды организма и др.) с помощью регуляции функций внутренних органов и поведенческих реакций; достижение результата в социальной деятельности - в работе, учебе. В итоге все множество полезных приспособительных результатов можно объединить в две группы: 1) поддержание постоянства внутренней среды организма; 2) достижение результата в социальной деятельности. В системогенезе выделяют два основных периода - антенатальный (внутриутробный) и постнатальный.
2. Принцип изоморфной организации. Все функциональные системы различного уровня имеют одинаковую архитектонику (структуру).
3. Принцип консолидации компонентов функциональной системы - объединение в функциональную систему отдельных фрагментов, развивающихся в различных частях организма. Консолидация фрагментов функциональной системы - критический пункт развития ее физиологической архитектуры. Ведущую роль в этом процессе играет ЦНС. Например, сердце, сосуды, дыхательный аппарат, кровь объединяются в функциональную систему поддержания постоянства газового состава внутренней среды на основе совершенствования связей между различными отделами ЦНС, а также на основе развития иннервационных связей между ЦНС и соответствующими периферическими структурами. Спинальные моторные центры мышц нижних конечностей, туловища, шеи, моторные центры ствола мозга, мускулатура туловища и конечностей объединяются в функциональную систему сохранения вертикальной позы человека на основе совершенствования эфферентных и афферентных связей между ядрами промежуточного, среднего, продолговатого, спинного мозга, с одной стороны, и мышечным аппаратом человека, с другой.
4. Принцип гетерохронной закладки и гетерохронного созревания компонентов функциональной системы. В ходе антенатального онтогенеза различные структуры организма закладываются в разное время и созревание их происходит различными темпами. Так, нервный центр группируется и созревает обычно раньше, чем закладывается и созревает иннервируемый им субстрат. В онтогенезе созревают в первую очередь те функциональные системы, без которых невозможно дальнейшее развитие организма. Например, у плода развивается функциональная система, поддерживающая постоянство газового состава крови с помощью плацентарного кровообращения: кислород поступает из крови матери в кровь плода, а углекислый газ транспортируется в противоположном направлении - из крови плода в кровь матери. У плода формируется функциональная система, обеспечивающая ортотоническую позу: согнутые шея, туловище и конечности, благодаря чему плод в матке занимает наименьший объем. Формируется головное предлежание, обеспечивающее наилучшее прохождение плода по родовым путям. К моменту рождения сформированы функциональные системы поддержания температуры тела, регуляции осмотического давления и др. Наиболее зрелой, хотя и не закончившей свое развитие к моменту рождения, является функциональная система поддержания постоянства газового состава крови. К моменту рождения все компоненты вне зависимости от их количества должны составлять единую функциональную систему, так как только в этом случае новорожденному обеспечено выживание в конкретных условиях постнатального онтогенеза. Так, если у новорожденного круговая мышца рта (m. orbicularis oris) по причине незрелости не обеспечивает должной герметизации ротовой полости, то функциональная система сосательного акта не даст положительного эффекта вследствие отсутствия обязательного звена в составе комплекса ее моторных эффекторов.
Гетерохронная закладка и гетерохромное созревание структур организма - средство, с помощью которого неодинаковые по сложности компоненты системы подгоняются к одновременному включению в состав консолидированной функциональной системы. В постнатальном периоде развития организма также можно отметить проявления гетерохронного развития. Например, из трех функциональных систем, связанных с полостью рта, после рождения сформированной оказывается лишь функциональная система сосания, позже формируется функциональная система жевания, затем - функциональная система речи.
5. Принцип фрагментации органов в процессе антенатального онтогенеза. Системогенетический тип развития предполагает, что даже в пределах одного и того же органа отдельные его фрагменты развиваются неодновременно. Прежде всего будут развиваться те фрагменты, которые обеспечивают к моменту рождения возможность функционирования некоторой целостной функциональной системы. Например, лицевой нерв анатомически представляет собой отдельное образование, однако его эфферентные волокна созревают по-разному. Так, нервные волокна, идущие к сосательным мышцам, демонстрируют более раннюю миелинизацию и более раннее образование синаптических контактов в сравнении с нервными волокнами, направляющимися к лобным мышцам. Аналогичные соотношения отмечаются на уровне ядра лицевого нерва. Здесь разные клеточные группы созревают с различной скоростью, причем с наибольшей скоростью дифференцируются те фрагменты ядра, которые в будущем должны обеспечить функциональную систему сосания.
6. Принцип минимального обеспечения. Функциональные системы у ребенка отличаются от функциональных систем взрослого относительной незрелостью. Это объясняется тем, что у ребенка в состав функциональных систем, как правило, включается не весь орган (принцип фрагментации), ткань или структурно-функциональный механизм, а лишь тот компонент органа, ткани, структурно-функционального механизма, который обнаруживает достаточную функциональную зрелость на данном временном этапе развития ребенка и минимальное обеспечение его выживания в определенных условиях. На основе принципа минимального обеспечения функциональная система начинает играть приспособительную роль задолго до того, как все ее звенья завершат свое окончательное структурное оформление. Полное завершение развития функциональных систем организма наблюдается в ходе постнатального онтогенеза.
1.6. ТИПЫ РЕГУЛЯЦИИ ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА И ИХ НАДЕЖНОСТЬ
А. Надежность регуляторных механизмов. При отсутствии патологии органы и системы организма обеспечивают такой уровень процессов и констант, который необходим организму согласно его потребностям в различных условиях жизнедеятельности, Это достигается благодаря высокой надежности функционирования регуляторных механизмов, что в свою очередь обеспечивается за счет ряда факторов.
1. Регуляторных механизмов несколько, они дополняют друг друга (нервный, гуморальный: гормоны, метаболиты, тканевые гормоны, медиаторы - и миогенный).
2. Каждый механизм может оказывать разнонаправленные влияния на орган. Например, симпатический нерв тормозит сокращение желудка, а парасимпатический нерв усиливает. Множество химических веществ стимулирует или тормозит деятельность различных органов: например, адреналин тормозит, а серотонин усиливает сокращения желудка и кишечника.
3. Каждый нерв (симпатический и парасимпатический) и любое вещество, циркулирующее в крови, также могут оказывать разнонаправленные влияния на один и тот же орган. Например, симпатический нерв и ангиотензин суживают кровеносные сосуды; естественно, что при уменьшении их активности сосуды расширяются.
4. Нервные и гуморальные механизмы регуляции взаимодействуют между собой. Например, выделяющийся из парасимпатических окончаний ацетилхолин свое действие оказывает не только на клетки - эффекторы органа, но и тормозит выброс норадреналина из рядом расположенных симпатических терминалей. Последние такое же влияние с помощью норадреналина оказывают на выделение ацетилхолина парасимпатическими терминалями. Это резко увеличивает эффект действия самого ацетилхолина или норадреналина на орган. Адренокортикотропный гормон (АКТГ) стимулирует выработку гормонов коры надпочечников, однако избыточный их уровень посредством обратной отрицательной связи (см. раздел 1.6, Б-1) угнетает выработку самого АКТГ, что ведет к снижению выделения кортикоидов.
5. Если продолжить цепочку этого анализа, имея в виду приспособительный результат (поддержание констант организма на оптимальном уровне) и работу эффекторов, то обнаружим несколько путей системной их регуляции. Так, необходимый для организма уровень артериального давления (АД) поддерживается за счет изменения интенсивности работы сердца; регуляции просвета сосудов; количества циркулирующей жидкости, что реализуется с помощью перехода жидкости из сосудов в ткани и обратно и с помощью изменения ее объема, выводимого с мочой, депонирования крови или выхода ее из депо и циркуляции по сосудам организма.
Таким образом, если перемножить все пять перечисленных вариантов регуляции констант организма с учетом того, что у каждого имеется их несколько или даже несколько десятков (например, гуморальных веществ), то общее число этих вариантов будет исчисляться сотнями! Это и обеспечивает весьма высокую степень надежности системной регуляции процессов и констант даже в экстремальных условиях и при патологических процессах в организме.
И наконец, надежность системной регуляции функций организма высока еще и потому, что имеется два типа регуляции.
Б. Типы регуляции. В литературе встречается несколько терминов, дублирующих и даже противоречащих друг другу. В частности, мы полагаем, что деление регуляции на типы по отклонению и по возмущению некорректно. В обоих случаях есть возмущающий фактор. Например, возмущающим фактором является отклонение регулируемой константы от нормы (регуляция по отклонению), т.е. тип регуляции по отклонению без возмущающего фактора не реализуется. В зависимости от момента включения регуляторных механизмов относительно изменения константы организма от нормальной величины следует выделить регуляцию по отклонению и регуляцию по опережению. Эти два понятия включают в себя все другие и исключают терминологическую путаницу.
1. Регуляция по отклонению - циклический механизм, при котором всякое отклонение от оптимального уровня регулируемой константы мобилизует все аппараты функциональной системы к восстановлению ее на прежнем уровне. Регуляция по отклонению предполагает наличие в составе системного комплекса канала отрицательной обратной связи, обеспечивающего разнонаправленное влияние: усиление стимулирующих механизмов управления в случае ослабления показателей процесса, а также ослабление стимулирующих механизмов в случае чрезмерного усиления показателей процесса и констант. В отличие от отрицательной обратной связи положительная обратная связь, встречающаяся в организме редко, оказывает только однонаправленное влияние, причем стимулирует развитие процесса, находящегося под контролем управляющего комплекса. Поэтому положительная обратная связь делает систему неустойчивой, неспособной обеспечить стабильность регулируемого процесса в пределах физиологического оптимума. Например, если бы АД регулировалось по принципу положительной обратной связи, то в случае его снижения действие регуляторных механизмов привело бы к еще большему его снижению, а в случае повышения - к еще большему его увеличению. Примером положительной обратной связи является усиление начавшейся секреции пищеварительных соков в желудке после приема пищи, что осуществляется с помощью продуктов гидролиза, всосавшихся в кровь.
Таким образом, функциональные системы своими саморегуляторными механизмами поддерживают основные показатели внутренней среды в диапазоне колебаний, не нарушающих оптимальный ход жизнедеятельности организма. Из этого вытекает, что представление о константах внутренней среды организма как стабильных показателях гомеостазиса относительно. Вместе с тем выделяют «жесткие» константы, которые поддерживаются соответствующими функциональными системами на сравнительно фиксированном уровне и отклонение которых от этого уровня оказывается минимальным, так как чревато серьезными нарушениями метаболизма. Выделяют также «пластичные», «мягкие» константы, отклонение которых от оптимального уровня допускается в широком физиологическом диапазоне. Примерами «жестких» констант являются уровень осмотического давления, величина рН. «Пластичные» константы - это величина АД, температура тела, концентрация питательных веществ в крови.
В учебной и научной литературе встречаются также понятия «установочная точка» и «заданное значение» того или иного параметра. Эти понятия позаимствованы из технических дисциплин. Отклонения параметра от заданной величины в техническом устройстве немедленно включает регуляторные механизмы, возвращающие ее параметры к «заданному значению». В технике подобная постановка вопроса о «заданном значении» вполне уместна. Эту «установочную точку» задает конструктор. В организме имеет место не «заданное значение» или «установочная точка», а определенное значение его констант, в том числе и постоянная температура тела высших животных и человека. Определенный уровень констант организма обеспечивает относительно независимый (свободный) образ жизни. Этот уровень констант сформировался в процессе эволюции. Сформировались и механизмы регуляции этих констант. Поэтому понятия «установочная точка» и «заданное значение» следует признать некорректными в физиологии. Существует общепринятое понятие «гомеостазис», т. е. постоянство внутренней среды организма, которое подразумевает постоянство различных констант организма. Поддержание этого динамического постоянства (все константы колеблются - одни больше, другие меньше) обеспечивается всеми регуляторными механизмами.
2. Регуляция по опережению заключается в том, что регулирующие механизмы включаются до реального изменения параметра регулируемого процесса (константы) на основе информации, поступающей в нервный центр функциональной системы и сигнализирующей о возможном изменении регулируемого процесса (константы) в будущем. Например, терморецепторы (детекторы температуры), находящиеся внутри тела, обеспечивают контроль за температурной константой внутренних областей тела. Терморецепторы кожи в основном играют роль детекторов температуры окружающей среды (возмущающий фактор). При значительных отклонениях температуры окружающей среды создаются предпосылки возможного изменения температуры внутренней среды организма. В норме, однако, этого не происходит, так как импульсация от терморецепторов кожи, непрерывно поступая в гипоталамический терморегуляторный центр, позволяет терморегуляторному центру произвести компенсаторные изменения работы эффекторов системы до момента реального изменения температуры внутренней среды организма. Усиление вентиляции легких при физической нагрузке начинается раньше увеличения потребления кислорода и накопления угольной кислоты в крови. Это осуществляется благодаря афферентной импульсации от проприорецепторов активно работающих мышц. Следовательно, импульсация проприорецепторов выступает как фактор, организующий перестройку работы функциональной системы, поддерживающей оптимальный для метаболизма уровень , и рН внутренней среды с опережением.
Регуляция по опережению может реализоваться с помощью механизма, условного рефлекса. Показано, что у кондукторов товарных поездов в зимнее время резко нарастает производство тепла по мере удаления от станции отправления, где кондуктор находился в теплой комнате. На обратном пути по мере приближения к станции производство тепла в организме отчетливо снижается, хотя в обоих случаях кондуктор подвергался одинаково интенсивному охлаждению, а все физические условия отдачи тепла не менялись (А.Д.Слоним).
Благодаря динамической организации регуляторных механизмов функциональные системы обеспечивают гомеостазис организма как в состоянии покоя, так и в состоянии его повышенной активности в среде обитания.

1.7. ГОМЕОСТАЗИС
1.7.1. Понятия

Гомеостазис (homeostasis) - от греч. homois - подобный, сходный + stasis - стояние, неподвижность.
Это понятие ввел в физиологию В.Кэннон (1929) и определил его как совокупность скоординированных реакций, обеспечивающих поддержание или восстановление внутренней среды организма. В переводе на русский язык это означает не реакцию, а состояние внутренней среды организма. В настоящее время (совершенно обоснованно, с нашей точки зрения) под гомеостазисом понимают динамическое постоянство внутренней среды организма и параметров деятельности органов.
Внутренняя среда организма - это совокупность крови, лимфы, межклеточной и цереброспинальной (спинномозговой) жидкости. Под постоянством внутренней среды организма понимают ее биохимический состав, объем, состав форменных элементов и температуру. Состав внутренней среды определяют ее константы: например, рН крови (артериальный - 7,4; венозный - 7,34), осмотическое давление крови (7,6 атм), вязкость всех жидкостей организма (у крови она в 4,5-5 раз больше, чем у воды) и др. «Поддержание постоянства условий жизни в нашей внутренней среде - необходимый элемент свободной и независимой жизни», -отмечал К.Бернар (1878). Благодаря этому постоянству мы в значительной степени не зависимы от окружающей среды.
Постоянство внутренней среды зависит от устойчивого функционирования внутренних органов (параметров их деятельности). Например, при нарушении газообменной функции легких нарушается содержание O2 и CO2 в крови и межклеточной жидкости, рН крови и других жидкостей организма. Устойчивая деятельность почки также определяет многие константы внутренней среды: рН, осмотическое давление, количество жидкости в организме и др.
Возможны такие ситуации, когда внутренняя среда не нарушена, а гомеостазис не наблюдается. Например, повышенное АД вследствие спазма кровеносных сосудов (в тяжелых случаях это гипертоническая болезнь) является нарушением гомеостазиса, ведущим к ухудшению трудовой деятельности, но повышение АД может не сопровождаться отклонениями от нормы внутренней среды организма. Следовательно, возможно серьезное отклонение параметров деятельности внутренних органов без изменений внутренней среды организма. Таковым, например, является тахикардия (большая частота сердечных сокращений) как компенсаторная рефлекторная реакция при низком АД вследствие уменьшения тонуса кровеносных сосудов. В данном случае параметры деятельности внутренних органов также сильно отклонены от нормы, гомеостазис нарушен, трудоспособность снижена, однако состояние внутренней среды организма может находиться в пределах нормы.
Динамическое постоянство внутренней среды и параметров деятельности органов. Имеется в виду, что физиологические и биохимические константы и интенсивность деятельности органов вариабельны и соответствуют потребностям организма в различных условиях его жизнедеятельности. Так, например, во время физической нагрузки частота и сила сердечных сокращений увеличиваются иногда в два и даже в три раза, при этом максимальное (систолическое) АД сильно возрастает (иногда и диастолическое); в крови накапливаются метаболиты (молочная кислота, СO2, адениловая кислота, закисляется внутренняя среда организма), наблюдается гиперпноэ - увеличение интенсивности внешнего дыхания, но эти изменения не являются патологическими, т.е. гомеостазис остается динамическим. Если бы параметры функционирования органов и систем организма не изменялись в связи с изменением интенсивности их деятельности, то организм не смог бы выдерживать повышенные нагрузки. Следует отметить, что во время физической нагрузки функции не всех органов и систем активируются: например, деятельность системы пищеварения, напротив, угнетается. В покое наблюдаются противоположные изменения: снижаются потребление O2, обмен веществ, ослабевает деятельность сердца и дыхания, исчезают отклонения биохимических показателей, газов крови. Постепенно все значения возвращаются к норме в покое.
Норма - это среднестатистическое значение констант внутренней среды и параметров деятельности органов и систем организма. Для каждого человека они могут существенно отличаться от усредненной нормы, тем более от показателей у отдельных лиц. Поэтому для показателей нормальных величин имеются границы этой нормы, причем у разных констант разброс параметров весьма отличен. Например, максимальное АД у молодого человека в покое составляет 110-120 мм рт. ст. (разброс 10 мм рт. ст.), а колебания рН крови в покое равны нескольким сотым долям. Различают «жесткие» и «пластические» константы (П.К.Анохин; см. раздел 1.6, Б1). Величина АД различается в разные периоды онтогенеза. Так, в конце 1-го года жизни систолическое АД составляет ? 95 мм рт. ст., в возрасте 5 лет ?100 мм, в 10 лет - 105 мм рт. ст., т.е. норма вариабельна в антогенезе. «Жесткими» константами являются те параметры внутренней среды, которые определяют оптимальную активность ферментов и тем самым возможность оптимального для организма протекания обменных процессов.
Гомеостазис, соответствующий потребностям организма в различных условиях его жизнедеятельности, поддерживается благодаря высокой надежности в работе различных органов и систем организма.
1.7.2. Надежность физиологических систем, обеспечивающих гомеостазис
Организм в процессе жизнедеятельности нередко испытывает сильные эмоциональные и физические нагрузки, подвергается геофизическим воздействиям: высокие и низкие температуры, геомагнитное поле, солнечная радиация. В процессе эволюции сформировались различные механизмы, обеспечивающие оптимальные приспособительные реакции. В покое многие органы и системы функционируют с минимальной нагрузкой, при физическом напряжении интенсивность деятельности их может возрастать в десятки раз. Основными способами и механизмами, обеспечивающими надежность физиологических, а значит, и функциональных систем, являются следующие.
1. Резерв структурных элементов в органе и их функциональная мобильность. Число клеток и структурных элементов в различных органах и тканях значительно больше, чем необходимо для достаточного обеспечения организма, находящегося в покое. Так, во время отдыха в покоящейся мышце человека функционирует небольшое число капилляров - около 30 открытых капилляров на 1мм2 поперечного сечения мышцы (дежурные капилляры), при максимальной работе мышцы число их доходит до 3000 на 1 мм2. В сердце одномоментно функционирует 50 % капилляров, 50 % - не функционирует. В темноте расширяется рецептивное поле ганглиозных клеток сетчатки - они получают информацию от большего числа фоторецепторов. Наличие резерва структурных элементов обеспечивает их функциональную мобильность - смену функционирующих элементов: одни работают, другие отдыхают (функционирование и покой чередуются). Органом, который имеет большой резерв структурных элементов, является печень. При повреждении печени оставшиеся клетки вполне могут обеспечить ее нормальную работу. В физиологии понятие «функциональная мобильность» ввел П.Г.Снякин.
2. Дублирование в физиологических системах встречается весьма часто, что также повышает их надежность: в организме два легких, две почки, два глаза, два уха, парные нервные стволы, которые в функциональном отношении в значительной степени перекрывают друг друга: например, левый и правый блуждающие и симпатические нервы. Иннервация внутренних органов, тела человека осуществляется из нескольких сегментов спинного мозга. Каждый метамер тела иннервируется тремя чувствительными и двигательными корешками спинного мозга, к сердцу подходят нервы от пяти грудных сегментов спинного мозга. Нейроны центров, регулирующих различные функции, расположены в разных отделах головного мозга, что также повышает надежность в регуляции функций организма. Дублируется и ферментативная обработка пищи, поступающей в пищеварительный тракт: после удаления желудка по медицинским показаниям пищеварение осуществляется удовлетворительно.
Три механизма регуляции функций организма (нервный, гуморальный и миогенный) обеспечивают тонкую приспособительную регуляцию функций органов и систем в соответствии с потребностями организма в различных условиях жизнедеятельности. Примером дублирования является многоконтурность механизмов регуляции ряда физиологических констант. Регуляция АД, например, осуществляется с помощью механизмов быстрого реагирования (рефлекторная регуляция), механизмов небыстрого реагирования (гормональная и миогенная регуляция сосудистого тонуса, изменение объема воды в крови за счет перехода ее из капилляров в ткань и обратно), механизмов медленного реагирования (изменение количества выводимой воды из организма с помощью регуляторных влияний на почки). Постоянство рН среды поддерживается легкими, почками, буферными системами крови.
3. Адаптация - совокупность реакций и механизмов их осуществления, обеспечивающих приспособление организма к изменениям геосоциальных условий (природных, социальных и производственных). Адаптивные реакции могут быть врожденными и приобретенными; они осуществляются на клеточном, органном, системном и организменном уровнях. Адаптивные механизмы весьма разнообразны. Например, при систематически усиленной физической нагрузке развивается гипертрофия мышц, при дыхании воздухом с пониженным содержанием кислорода повышается уровень гемоглобина в крови, увеличиваются число капилляров в тканях, вентиляция легких; при действии низкой температуры возрастает обмен веществ, уменьшается теплоотдача; изменение освещенности (день-ночь) сформировало циркадианные (околосуточные) биологические ритмы: большинство органов и систем организма интенсивнее функционируют днем, чем ночью, так как ночью человек обычно отдыхает; при действии инфекционных агентов формируется иммунитет; при повреждении легких увеличиваются эритропоэз и количество гемоглобина в крови.
4. Регенерация поврежденной части органа или ткани за счет размножения сохранившихся клеток и синтез новых структурных элементов после диссимиляции (катаболизма) также повышают надежность физиологических систем. Так, белки организма на 50% обновляются за 80 дней, печень - за 10 дней, все тело обновляется на 5% ежедневно. Нервные волокна поврежденного и восстановленного (сшитого) нерва регенерируют (растут), их регуляторная функция восстанавливается, поврежденный эпителий регенерирует, разрезанная и сшитая кожа срастается; пересаженный на обожженную поверхность тела участок кожи приживается, сшитые после операции кровеносные сосуды срастаются, сломанные в результате травмы кости также срастаются; поврежденная печень частично восстанавливается за счет размножения сохранившихся клеток.
5. Экономичность функционирования всех органов и систем также повышает их надежность. Она реализуется с помощью многих механизмов, главным из которых является возможность приспособления деятельности любого органа и системы к текущим потребностям организма. Так, частота сердечных сокращений в покое составляет 60-80 в минуту, а во время быстрого бега - 150-200; в покое, в условиях температуры комфорта и натощак организм за 1 ч расходует около 70 ккал, а при тяжелой физической работе - 600 ккал и более, т.е. расход энергии возрастает в 8-10 раз. Гормоны выделяются в малых количествах, но вызывают сильное и Длительное регуляторное влияние на органы и ткани. В организме с непосредственной затратой энергии переносятся (транспортируются через клеточную мембрану) всего несколько ионов, основные из них Na+, Ca2+, по-видимому, Сl- и некоторые другие, но это обеспечивает всасывание в желудочно-кишечном тракте, создание электрических зарядов клеток организма, перемещение воды в клетку и обратно, процесс мочеобразования, регуляцию осмотического давления, рН внутренней среды организма. Кроме того, транспорт самих ионов в клетку и из клетки вопреки концентрационному и электрическому градиентам также осуществляется весьма экономично. Например, ионы Na+ из клетки выводятся с затратой энергии, а возвращение ионов К+ в клетку происходит без затраты энергии. Организм приобретает большое число условных рефлексов, каждый из которых может быть заторможен, если в нем нет необходимости. Безусловные рефлексы вообще не возникают без изменения внешней или внутренней среды организма. В процессе трудовой деятельности и в спорте (работа на конвейере, обработка деталей рабочим, комплекс гимнастических упражнений) вначале (при освоении навыков) затрачиваются большие усилия, включается избыточное число мышечных групп, затрачивается большое количество энергии, имеет место эмоциональное напряжение. Когда навыки упрочены, многие движения становятся автоматизированными - экономичными, избыточные исключаются.
6. Снабжение организма кислородом является достаточным даже при значительном уменьшении его парциального давления в атмосферном воздухе, так как гемоглобин очень легко насыщается кислородом. Например, при снижении Р в легких со 100 до 60 мм рт. ст. насыщение гемоглобина кислородом снижается всего лишь с 97 до 90%, что не сказывается отрицательно на состоянии организма.
7. Совершенствование структуры органов в процессе эволюции связано с увеличением интенсивности их функционирования, что также выступает в роли фактора надежности. Функциональная активность является ведущим фактором в развитии структурных элементов. Активное функционирование органа или системы обеспечивает более совершенное развитие их структуры в фило- и онтогенезе. Например, высокая физическая нагрузка обеспечила развитие мощной скелетной мускулатуры, ЦНС, сердечно-сосудистой системы. В свою очередь, совершенная структура органа или системы - основа их высоких функциональных возможностей, что наблюдается как в фило-, так и в онтогенезе. Орган, который не функционирует или функционирует недостаточно, начинает увядать, атрофироваться. Это касается и умственной деятельности, если нет должной интеллектуальной нагрузки. Увеличение интенсивности деятельности мозга в филогенезе (возрастание двигательной активности, усложнение поведенческих реакций) способствовало быстрому усложнению строения мозга и опорно-двигательного аппарата. Активная психическая и физическая деятельность приматов и человека обеспечили бурное развитие коры большого мозга. В процессе эволюции больше совершенствуется в развитии тот орган, к которому условия жизнедеятельности предъявляют большую нагрузку, что повышает надежность функционирования различных органов и тканей и организма в целом.
8. Высокую степень надежности в работе ЦНС обеспечивает такое ее свойство, как пластичность - способность нервных элементов и их объединений к перестройке функциональных свойств. Примерами, иллюстрирующими это свойство ЦНС, являются феномен облегчения (улучшение проведения нервных импульсов, повторно идущих по одному и тому же пути); образование новых временных связей при выработке условных рефлексов; образование доминантного очага возбуждения в ЦНС, оказывающего стимулирующее влияние на процессы достижения необходимой цели; компенсация функций при значительном повреждении ЦНС и, в частности, коры большого мозга.
1.8. СООТНОШЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ
Структура и ее функция оказывают взаимное влияние друг на друга. С одной стороны, чем совершеннее структура и выше степень ее надежности, тем выше ее функциональные возможности. С другой стороны, чем больше функциональная нагрузка на орган, систему или организм в целом, тем структура их совершеннее. Таким образом, функция обеспечивает развитие и совершенствование структуры в фило- и онтогенезе.
А. Развитие структуры в филогенезе происходило с увеличением предъявляемой нагрузки к органу или системе. Первая попытка создания целостной эволюционной теории принадлежит французскому естествоиспытателю Ж.Ламарку, изложившему в «Философии зоологии» (1809) представления о движущих силах эволюции. Согласно первому «закону» Ламарка, упражнения органов приводят к прогрессивному их развитию, а неупражнения - к редукции. Данное положение подтверждено эволюционным развитием органов и организма, хотя мнение Ж.Ламарка об эволюционном развитии видов основано на ошибочном представлении о том, что природе свойственно стремление к совершенствованию. Тем не менее идея о развитии структуры в процессе ее интенсивного функционирования и вывод, что благоприятные свойства организма передаются по наследству (второй «закон» Ламарка), являются обоснованными. Фундаментальное обоснование эволюции видов, как известно, сделал Ч.Дарвин в своем труде «Происхождение видов путем естественного отбора...» (1859), но это другая, более широкая проблема.
В качестве примера влияния деятельности органов и организма в целом на их структуру приведем морфологические особенности крота. Ушные раковины у него отсутствуют, когти длинные, уплощенные, мех короткий, почти лишенный ворса, зрение слабое, у некоторых глаза покрыты кожей (почти нет глаз), однако обоняние и осязание развиты хорошо. Все это - приспособления к подземному роющему образу жизни.
Бурное развитие коры большого мозга млекопитающих связано с усложнением различных форм поведения, особенно индивидуальных приспособительных поведенческих реакций. У приматов и человека наибольшего развития достигает лобная (премоторная) область, что объясняется весьма активной высшей нервной деятельностью (ВНД).
Развитие ЦНС связано со степенью как активности ВНД, так и двигательной активности. В частности, степень совершенства ВНД зайца значительно превосходит таковую лабораторного или домашнего кролика, хотя эти животные относятся к одному и тому же отряду зайцеобразных. Это объясняется условиями жизни: зайцу постоянно приходится бороться за выживание - спасаться от хищников. Заяц - хитроумный зверек; например, он оригинально маскирует свой след с помощью мощного прыжка в сторону от направления своего движения.
ЦНС управляет деятельностью скелетной мускулатуры и обеспечивает ее прогрессирующее развитие, при этом развивается и сама ЦНС. Важную роль в этом играет поступающая от мышц афферентная импульсация, активирующая вставочные нейроны и мотонейроны. Так, в процессе эволюции сформировалось два утолщения: шейное (сегменты, иннервирующие верхние конечности) и поясничное (сегменты, иннервирующие нижние конечности) - как результат повышенной нагрузки на эти отделы спинного мозга. У некоторых видов животных подобных утолщений нет: например, у змеи, которая передвигается благодаря равномерному участию в процессе движения всей мускулатуры тела. Тренировка любого органа обеспечивает прогрессивное его развитие не только в фило-, но и в онтогенезе, естественно, при этом совершенствуется и функция. Орган, который не получает достаточной нагрузки, постепенно атрофируется. В указанных утолщениях спинного мозга соматические нейроны наиболее крупные, их больше, в каждом корешке этих сегментов больше нервных волокон, они имеют наибольшую толщину.
Очень слабо развит спинной мозг, средние его отделы, у черепахи, так как мускулатура туловища у нее практически отсутствует. Однако у черепахи имеются шейно-грудное и пояснично-крестцовое утолщения как результат наибольшей активности этих отделов спинного мозга по управлению работой передних и задних конечностей.
Б. Существенные приспособительные структурные изменения в органах и системах наблюдаются и в онтогенезе, в процессе активной деятельности. Напротив, бездеятельность какого-либо органа ведет к увяданию его структуры и функции. Так, известно, что лошади, которых использовали в угольных шахтах для транспортировки угля, постепенно слепли. Отсутствие физических нагрузок ведет к атрофии мышечной ткани у человека, недостаточная умственная работа - к снижению разрешающей возможности мозга. Сочетание умственной и физической нагрузок способствует гармоничному развитию личности, является профилактикой заболеваний и способствует продлению жизни!
Рассмотрим механизм развития структур в условиях адаптации к повышенной физической нагрузке и к гипоксии (пониженное поступление кислорода в организм).
1. Адаптация к физической нагрузке. Развитие живых организмов неразрывно связано с действием земного притяжения, благодаря которому у высокоорганизованных живых существ сформировался в процессе эволюции мощный мышечный аппарат. Мышечная система не только обеспечивает локомоторные функции, но и оказывает стимулирующее воздействие практически на все важнейшие системы организма, играет важную роль в процессах терморегуляции.
В процессе адаптации к физической нагрузке развивается гипертрофия скелетной мускулатуры, увеличиваются число ядер и миофибрилл в мышечных волокнах, содержание миоглобина и объем митохондрий. В основе этого феномена лежит активация синтеза мышечных белков. Увеличение функции на единицу массы ткани вызывает изменение активности генетического аппарата: увеличивается количество информационной РНК, что приводит к повышению числа рибосом и полисом, в которых происходит синтез белка. В результате объем структуры органа приходит в соответствие с объемом функции и организм в целом становится адаптированным к нагрузке данной величины. В митохондриях мышечных клеток увеличивается использование пирувата, что предотвращает повышение содержания лактата в крови и обеспечивает мобилизацию и использование жирных кислот. Вследствие этого улучшается энергетическое обеспечение механической деятельности скелетных мышц и осуществляется профилактика преждевременного развития атеросклероза.
В результате физической тренировки увеличиваются толщина моторных нервных волокон, количество терминальных нервных ветвей. При физической нагрузке возрастает синтез белков не только в мышцах, но и в других органах. Однако если человек проводит усиленную тренировку в объеме, значительно превышающем физиологический, то гипертрофия мышечных волокон возрастает в такой степени, что кровоснабжение их становится недостаточным. Это приводит к обратному результату: сила мышечных сокращений ослабевает (возможно при занятиях культуризмом). Показателем чрезмерной физической нагрузки (перетренированность спортсмена) может быть уменьшение концентрации гемоглобина в крови, в таком случае нагрузку следует уменьшить.
В целом хорошо дозируемые нагрузки способствуют повышению не только специфической устойчивости к физической работе, но и резистентности к действию других факторов, поскольку тренируются одновременно сердечно-сосудистая и дыхательная системы, а также система крови, все регуляторные механизмы, в том числе ЦНС. Физические упражнения одновременно тренируют организм к недостатку кислорода: в частности, улучшается утилизация кислорода, более эффективно работают ферментные системы. Как отмечал И.П.Павлов, физические тренировки в сочетании с активной умственной работой обеспечивают экономное расходование энергии, улучшают координационную деятельность ЦНС. Двигательная активность дает удовлетворенность от общения с природой, «мышечную радость», способствует гармоничному развитию личности.
Под влиянием тренировок в условиях кислородного голодания увеличиваются количество капилляров в головном мозге (больше всего в коре лобной доли), их длина и плотность капиллярной сети. Физические упражнения делают организм более устойчивым к заболеваниям. Так, западногерманский врач-онколог Э. ван Аакен наблюдал 500 пожилых бегунов и 500 небегающих людей того же возраста в течение 6 лет. За это время среди небегающих заболели раком 29 человек, а среди бегунов - только 4.
Умеренная физическая нагрузка является фактором нормализации динамики циркадианных биологических ритмов. Таким образом, самой лучшей профилактикой негативных влияний всех социальных и геофизических факторов являются физический труд, систематические занятия физкультурой и спорт без перегрузок.
2. Адаптация к гипоксии. Недостаток кислорода - один из часто встречающихся факторов внешней среды, к которому организму приходится адаптироваться. Гипоксия сопровождает очень многие физиологические и патологические процессы: подъем в горы, интенсивную мышечную нагрузку, патологические процессы в системе крови, дыхания, недостаточность сердца.
Один из вариантов формирования адаптивной функциональной системы к гипоксии - подъем на высоту. В частности, при длительном пребывании в горах формируются следующие адаптивные механизмы: увеличиваются эритропоэз, количество гемоглобина в эритроцитах, деятельность сердца, вентиляция легких, наблюдается ускорение диссоциации оксигемоглобина, повышается плотность кровеносных капилляров в тканях, увеличиваются их длина и извилистость, повышается устойчивость клеток (особенно нервных) к гипоксии. Все это повышает устойчивость организма к недостатку кислорода в атмосферном воздухе.
Следует, однако, заметить, что увеличение интенсивности дыхания при гипоксии незначительно и наблюдается только при выраженных степенях кислородного голодания: углубление и учащение дыхания - гиперпноэ - возникают при Р менее 80 мм рт. ст. Объясняется это тем, что в результате первоначального усиления дыхания вследствие дыхания воздухом с пониженным содержанием кислорода в организме развивается гипокапния, которая сдерживает увеличение легочной вентиляции. Только через 1-2 нед. пребывания в условиях гипоксии существенно увеличивается легочная вентиляция вследствие повышения чувствительности дыхательного центра к углекислому газу.
Содержание гемоглобина в крови при гипоксии возрастает значительно: снижение атмосферного давления на каждые 100 мм рт. ст. (это соответствует высоте примерно 1200 м) вызывает увеличение уровня гемоглобина на 10%. При недостатке кислорода в клетках возрастает количество митохондрий и увеличивается содержание ферментов дыхательной цепи, что позволяет интенсифицировать процессы использования энергии организмом.
Систематическое дозированное применение гипоксии, в частности в виде тренировочного пребывания человека на высоте около 2,0-2,5 км, а для спортсменов - в сочетании с умеренной физической нагрузкой, повышает специфическую и неспецифическую резистентность организма, а также, по-видимому, может продлить жизнь человека, о чем свидетельствует наличие большого числа долгожителей среди горцев. Для горцев характерны умеренная брадикардия (частота сердечных сокращений может не изменяться), гипотония, замедление кровотока, повышение венозного давления, увеличение вентиляции легких, эритроцитоз. Если на высоте находится человек, ранее не адаптировавшийся к гипоксии, то относительная стабилизация физиологических показателей начинается после трехнедельного пребывания его в горах (на высоте 3-4 км).
Наибольшая высота в горах, на которой живут люди, - по-видимому, 5300 м (в Андах). Достаточно хорошо изучены показатели деятельности органов и систем организма на высоте 4540 м в г. Морокоча в Андах. Некоторые из этих показателей в сравнительном аспекте с показателями жителей низменной долины (Лима) приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Показатели крови, дыхания и кровообращения у жителей высокогорного селения и города, расположенного на низменности (по A.Hurtado, 1964)
Параметры
Высота


4540 м
0
Эритроциты, 10 12/л
6,44
5,11
Ретикулоциты, %о
46
18
Показатель гематокрита, %
60
47
Содержание гемоглобина, г/л
201
156
Объем крови, мл/кг
i01
80
Минутный объем воздуха, л/(мин • кг)
0,19
0,13
в альвеолярном воздухе, мм рт. ст.
51
!04
в альвеолярном воздухе, мм рт. ст.
29,1
38,6
Насыщение артериальной крови O2, %
81
98
Частота сокращений сердца в минуту
72
72
Артериальное давление, мм рт. ст.
93/63
116/79

При длительной тренировке в условиях умеренной гипоксии повышается резистентность организма к комплексу экстремальных факторов: острой гипоксии, большим физическим нагрузкам, высокой температуре окружающей среды, ускорению. Изменения в организме похожи на те, которые развиваются при физических нагрузках.
Таким образом, систематическое воздействие на организм различных умеренных стрессоров: физическая нагрузка, умеренные гипоксия и гиперкапния, повышенная и пониженная температура, умеренное эмоциональное напряжение, накопление информации и опыта - обеспечивает формирование различных адаптационных функциональных систем и гармоничное развитие личности.
Глава 2 ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ НЕЙРОНОВ
2.1. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕРВНЫХ КЛЕТОК

А. Нейрон - это структурно-функциональная единица нервной ткани. Выделяют тело нейрона и его отростки. Оболочка нейрона (клеточная мембрана) образует замкнутое пространство, содержащее протоплазму (цитоплазма и ядро). Цитоплазма состоит из основного вещества (цитозоль, гиалоплазма) и органелл. Гиалоплазма под электронным микроскопом выглядит относительно гомогенным веществом и является внутренней средой нейрона. Большинство органелл и ядро нейрона, как и любой другой клетки, заключены в свои отсеки (компартменты), образуемые собственными (внутриклеточными) мембранами, обладающими избирательной проницаемостью к отдельным ионам и частицам, находящимся в гиалоплазме и органеллах. Это определяет отличительный состав их друг от друга.
Мозг человека содержит около 25 млрд. нервных клеток, взаимодействие между которыми осуществляется посредством множества синапсов (межклеточные соединения), число которых в тысячи раз больше самих клеток (1015-1016), так как их аксоны многократно делятся дихотомически. Нейроны оказывают свое влияние на органы и ткани также, посредством синапсов. Нервные клетки имеются и вне ЦНС: периферический отдел вегетативной нервной системы, афферентные нейроны спинномозговых ганглиев и ганглиев черепных нервов. Периферических нервных клеток намного меньше, чем центральных, - всего около 25 млн. Важную роль в деятельности нервной системы играют глиальные клетки (см. раздел 2.1, Д).
Отростки нейрона представляют собой большое число дендритов и один аксон (рис. 2.1). Нервные клетки имеют электрический заряд, как и другие клетки животного организма и даже растений (рис. 2.2). Потенциал покоя (ПП) нейрона составляет 60-80 мВ, ПД - нервный импульс - 80-110 мВ. Сома и дендриты покрыты нервными окончаниями - синаптическими бутонами и отростками глиальных клеток. На одном нейроне число синаптических бутонов может достигать 10 000. Аксон начинается от тела клетки аксонным холмиком. Диаметр тела клетки составляет 10-100 мкм, аксона - 1-6 мкм, на периферии длина аксона может достигать 1 м и более. Нейроны мозга образуют колонки, ядра и слои, выполняющие определенные функции. Клеточные скопления составляют серое вещество мозга. Между клетками проходят немиелинизированные и миелинизированные нервные волокна (соответственно дендриты и аксоны нейронов).
Б. Классификация нейронов. Нейроны делят на следующие группы.
1. По медиатору, выделяющемуся в окончаниях аксонов, различают нейроны адренергические, холинергические, серотонинергические и т.д.
2. В зависимости от отдела ЦНС выделяют нейроны соматической и вегетативной нервной системы.
3. По направлению информации различают следующие нейроны:
• афферентные, воспринимающие с помощью рецепторов информацию о внешней и внутренней среде организма и передающие ее в вышележащие отделы ЦНС;
• эфферентные, передающие информацию к рабочим органам -эффекторам (нервные клетки, иннервирующие эффекторы, иногда называют эффекторными);
• вставочные (интернейроны), обеспечивающие взаимодействие между нейронами ЦНС.
4. По влиянию выделяют возбуждающие и тормозящие нейроны.
5. По активности различают фоново-активные и «молчащие» нейроны, возбуждающиеся только в ответ на раздражение. Фоново-активные нейроны отличаются общим рисунком генерации импульсов, так как одни нейроны разряжаются непрерывно (ритмично или аритмично), другие - пачками импульсов. Интервал между импульсами в пачке составляет миллисекунды, между пачками - секунды. Фоново-активные нейроны играют важную роль в поддержании тонуса ЦНС и особенно коры большого мозга.
6. По воспринимаемой сенсорной информации нейроны делят на моно-, би- и полимодальные. Мономодальными являются нейроны центра слуха в коре большого мозга. Бимодальные нейроны встречаются во вторичных зонах анализаторов в коре (нейроны вторичной зоны зрительного анализатора в коре большого мозга реагируют на световые и звуковые раздражители). Полимодальные нейроны - это нейроны ассоциативных зон мозга, моторной коры; они реагируют на раздражения рецепторов кожного, зрительного, слухового и других анализаторов.
В. Функциональные структуры нейрона. 1. Структуры, обеспечивающие синтез макромолекул, которые транспортируются по аксону и дендритам, - это сома (тело нейрона), выполняющая трофическую функцию по отношению к отросткам (аксону и дендритам) и клеткам-эффекторам. Отросток, лишенный связи с телом нейрона, дегенерирует.
2. Структуры, воспринимающие импульсы от других нервных клеток, - это тело и дендриты нейрона с расположенными на них шипиками, занимающие до 40% от поверхности сомы нейрона и дендритов. Если шипики не получают импульсацию, то они исчезают. Импульсы могут поступать и к окончанию аксона - аксо-аксонные синапсы. Это происходит, например, в случае пресинаптического торможения.
3. Структуры, в которых обычно возникает ПД (генераторный пункт ПД), - аксонный холмик.
4. Структуры, проводящие возбуждение к другому нейрону или к эффектору, - аксон.
5. Структуры, передающие импульсы на другие клетки, - синапсы.


Рис. 2.1. Мотонейрон спинного мозга. Указаны функции отдельных структурных элементов нейрона [Эккерт Р., Рэнделл Д., Огастин Дж.. 1991]

Г. Классификация синапсов ЦНС. Основу классификации составляет несколько признаков. 1. По способу передачи сигналов различают химические синапсы (наиболее распространенные в ЦНС), в которых посредником (медиатором) передачи является химическое вещество; электрические, в которых сигналы передаются электрическим током, и смешанные синапсы - электрохимические.
2. В зависимости от местоположения выделяют аксосоматические, аксодендритные, аксо-аксонные, дендросоматические, дендродендритные синапсы.
3. По эффекту различают возбуждающие и тормозящие синапсы. В процессе деятельности нервной системы отдельные нейроны объединяются в ансамбли (модули), нейронные сети. Последние могут включать несколько нейронов, десятки, тысячи нейронов, при этом совокупность нейронов, образующих модуль, обеспечивает появление у модуля новых свойств, которыми не обладают отдельные нейроны. Деятельность каждого нейрона в составе модуля становится функцией не только поступающих к нему сигналов, но и функцией процессов, обусловленных той или иной конструкцией модуля (П.Г.Костюк).
Д. Глиальные клетки (нейроглия - «нервный клей»). Эти клетки более многочисленны, чем нейроны, составляют около 50% от объема ЦНС. Они способны к делению в течение всей жизни. По размеру глиальные клетки в 3-4 раза меньше нервных, их число огромно - достигает 14 х 1010, с возрастом увеличивается (число нейронов уменьшается). Тела нейронов, как и их аксоны, окружены глиальными клетками. Глиальные клетки выполняют несколько функций: опорную, защитную, изолирующую, обменную (снабжение нейронов питательными веществами). Микроглиальные клетки способны к фагоцитозу, ритмическому изменению своего объема (период «сокращения» - 1,5 мин, «расслабления» - 4 мин). Циклы изменения объема повторяются через каждые 2-20 ч. Полагают, что пульсация способствует продвижению аксоплазмы в нейронах и влияет на ток межклеточной жидкости. Мембранный потенциал клеток нейроглии составляет 70-90 мВ, однако ПД они не генерируют, генерируют только локальные токи, электротонически распространяющиеся от одной клетки к другой. Процессы возбуждения в нейронах и электрические явления в глиальных клетках, по-видимому, взаимодействуют.
Е. Цереброспинальная жидкость (ликвор) - бесцветная прозрачная жидкость, заполняющая мозговые желудочки, спинномозговой канал и субарахноидальное пространство. Ее происхождение связано с интерстициальной жидкостью мозга. Значительная часть цереброспинальной жидкости образуется в специализированных сплетениях желудочков мозга. Непосредственной питательной средой клеток мозга является интерстициальная жидкость, в которую клетки выделяют также продукты своего обмена. Цереброспинальная жидкость представляет собой совокупность фильтрата плазмы крови и интерстициальной жидкости; она содержит около 90% воды и примерно 10% сухого остатка (2% -органические, 8% - неорганические вещества). От плазмы крови она отличается, как и межклеточная жидкость других тканей, низким содержанием белка (0,1 г/л, в плазме - 75 г/л), меньшим содержанием аминокислот (0,8 и 2 ммоль/л соответственно) и глюкозы (3,9 и около 5 ммоль/л соответственно). Ее объем 100-200 мл (12-14% от общего объема мозга), за сутки вырабатывается около 600 мл. Обновление этой жидкости происходит 4-8 раз в сутки, давление цереброспинальной жидкости составляет 7-14 мм рт. ст., в вертикальном положении тела - в 2 раза больше. Цереброспинальная жидкость выполняет также защитную роль: является своеобразной гидравлической «подушкой» мозга, обладает бактерицидными свойствами: ликвор содержит иммуноглобулины классов G и А, систему комплемента, моноциты и лимфоциты. Отток цереброспинальной жидкости происходит несколькими путями: 30-40% ее оттекает через субарахноидальное пространство в продольный синус венозной системы головного мозга; 10-20% - через периневральные пространства черепных и спинномозговых нервов в лимфатическую систему; часть жидкости реабсорбируется сосудистыми сплетениями мозга.
2.2. ФУНКЦИИ НЕЙРОНОВ
Жизнь животного организма сосредоточена в клетке. У каждой клетки имеются общие (основные) функции, одинаковые с функциями других клеток, и специфические, свойственные в основном данному виду клеток.
А. Функции нейрона, идентичные общим функциям любых клеток организма. 1. Синтез тканевых и клеточных структур, а также необходимых для жизнедеятельности соединений (анаболизм). При этом энергия не только расходуется, но и накапливается, поскольку клетка усваивает органические соединения, богатые энергией (белки, жиры и углеводы, поступающие в организм с пищей). В клетку питательные вещества поступают, как правило, в виде продуктов гидролиза белков, жиров, углеводов (мономеров) - это моносахара, аминокислоты, жирные кислоты и моноглицериды. Процесс синтеза обеспечивает восстановление структур, подвергающихся распаду.
2. Выработка энергии в результате катаболизма - совокупности процессов распада клеточных и тканевых структур и сложных соединений, содержащих энергию. Энергия необходима для обеспечения жизнедеятельности каждой живой клетки.
3. Трансмембранный перенос веществ, обеспечивающий поступление в клетку необходимых веществ и выделение из клетки метаболитов и веществ, используемых другими клетками организма.
Б. Специфические функции нервных клеток ЦНС и периферического отдела нервной системы.
1. Восприятие изменений внешней и внутренней среды организма. Эта функция осуществляется прежде всего с помощью периферических нервных образований - сенсорных рецепторов (см. раздел 1.1.6) и посредством шипикового аппарата дендритов и тела нейрона (см. раздел 2.1).
2. Передача сигнала другим нервным клеткам и клеткам-эффекторам: скелетной мускулатуры, гладким мышцам внутренних органов, сосудам, секреторным клеткам. Эта передача реализуется с помощью синапсов (см. раздел 4.3).
3. Переработка поступающей к нейрону информации посредством взаимодействия возбуждающих и тормозящих влияний пришедших к нейрону нервных импульсов (см. раздел 4.5-4.8).
4. Хранение информации с помощью механизмов памяти (см. раздел 6.6). Любой сигнал внешней и внутренней среды организма вначале преобразуется в процесс возбуждения, который является наиболее характерным проявлением активности любой нервной клетки.
5. Нервные импульсы обеспечивают связь между всеми клетками организма и регуляцию их функций (см. раздел 1.1).
6. С помощью химических веществ нервные клетки оказывают трофическое влияние на эффекторные клетки организма (питание; см. раздел 1.1).
Жизнедеятельность самой нервной клетки обеспечивается взаимодействием всех ее органелл и клеточной мембраны (совокупность структурных элементов, образующих оболочку клетки), как и любой другой клетки организма.
2.3. ФУНКЦИИ ОРГАНЕЛЛ НЕЙРОНА
Органеллы нейрона находятся в гиалоплазме, состоящей из воды и находящихся в ней различных ионов и органических веществ (глюкоза, аминокислоты, белки, фосфолипиды, холестерин). Гиалоплазма является внутренней средой нейрона, обеспечивающей взаимодействие всех клеточных структур друг с другом посредством транспорта веществ, потребляемых и синтезируемых клеткой. Гиалоплазма выполняет также функцию депо гликогена, липидов, пигментов. Большинство внутриклеточных органелл (мембранные органеллы: ядро, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы) имеет собственные мембраны, построенные по тому же принципу, что и клеточные мембраны (см. раздел 2.3). Некоторые внутриклеточные органеллы не имеют собственных мембран (немембранные органеллы: рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты). Каждая органелла выполняет свои специфические функции.
А. Мембранные органеллы цитоплазмы. Эндоплазматический ретикулум представляет собой систему канальцев, уплощенных цистерн и мелких пузырьков. Строение мембраны ретикулума подобно строению клеточной мембраны. Функции эндоплазматического ретикулума:
•является резервуаром для ионов, в том числе Са2+ - одного из вторых посредников в реализации различных специфических реакций клеток, например в электромеханическом сопряжении;
•обеспечивает синтез и транспорт различных веществ, в том числе молекул белков, липидов;
•обеспечивает детоксикацию (в клетках печени) ядовитых веществ, попадающих в организм с пищей или вдыхаемых с воздухом, а также биологически активных метаболитов, например простагландинов, желчных кислот, стероидных гормонов, подлежащих удалению из организма. Эти вещества в результате превращений выводятся с мочой и желчью в виде глюкуроновых и сульфуроновых соединений. Аппарат Гольджи представляет собой систему упакованных уплощенных мешочков (цистерн), вакуолей и транспортных пузырьков. Его функции тесно связаны с функциями эндоплазматического ретикулума, от которого отделяются транспортные пузырьки и сливаются с аппаратом Гольджи. Он обеспечивает этап формирования и созревания всех секретируемых клеткой продуктов, в частности ферментов лизосом, белков, гликопротеидов клеточной мембраны. Секреторные пузырьки постоянно отделяются от аппарата Гольджи, транспортируются к клеточной мембране и сливаются с ней, а содержащиеся в пузырьках вещества выводятся из клетки в процессе экзоцитоза.
Лизосомы - это отпочковавшиеся от аппарата Гольджи в виде мешочков участки, содержащие большое количество (более 50) различных кислых гидролаз. Основной функцией лизосом является переваривание поступающих в клетку белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров, фагоцитированных бактерий и клеток, гранул гликогена. Это внутриклеточная пищеварительная система. Отделившаяся от аппарата Гольджи лизосома называется первичной, она перемещается к пузырьку, образовавшемуся в результате пино- или фагоцитоза, и изливает свое содержимое в пузырек - образуется вторичная лизосома, в которой происходит расщепление содержащихся внутри нее веществ. Продукты расщепления поступают из вторичной лизосомы в гиалоплазму и используются для питания и обновления клетки. Остатки вторичных лизосом выделяются клеткой в процессе экзоцитоза. Лизосомы содержат лизоцим, растворяющий мембрану фагоцитированных бактериальных клеток; лактоферрин, связывающий железо, необходимое для поддержания роста бактерий, и тем самым угнетающий их размножение. Кислая среда лизосом (рН около 5) тормозит обмен веществ бактерий и ускоряет их гибель. Если мембрану лизосом повреждают ультразвук, свободные радикалы: супероксидный радикал O2, перекись водорода H2О2. то ферменты лизосом могут расщеплять клеточную мембрану. Кортизол защищает мембрану лизосом. Лизосомы обеспечивают регрессию физиологически увеличенной массы ткани: например, матки после родов, молочных желез после лактации.
Пероксисомы - разновидность лизосом, содержащих главным образом ферменты, катализирующие образование и разложение перекиси водорода - одного из важнейших окислителей в организме. Перекись водорода образуется под влиянием оксидаз, а расщепляется под действием пероксидаз или каталаз.
Митохондрии называют энергетическими станциями клеток, так как в них вырабатывается (освобождается) основное количество энергии из поступающих в организм питательных веществ. Они выполняют ряд других функций: например, участвуют в синтезе фосфолипидов, жирных кислот. Митохондрии представляют собой округлые, овальные или удлиненные образования с двойной мембраной - наружной и внутренней, каждая из которых состоит из бислоя липидно-белковых молекул. Внутренняя мембрана имеет выросты (кристы), обращенные внутрь Митохондрии, содержимое последней называют матриксом. В кристах и внутренней мембране митохондрий содержатся дыхательные ферменты - переносчики электронов, в матриксе - ферменты цикла Кребса. В результате реакций обеих ферментных систем питательные вещества окисляются до конечных продуктов - воды и углекислого газа с освобождением аммиака и выделением энергии; энергия используется для синтеза АТФ. Молекулы АТФ диффундируют в гиалоплазму и используются клеткой для выполнения всех ее функций.
Число митохондрий в клетке весьма вариабельно - от 20 до 5-105, оно может изменяться в каждой клетке и определяется ее потребностями. Обновление митохондрий и синтез новых обеспечивается ДНК и РНК, содержащимися в митохондриях. Матрикс митохондрий содержит также ферменты, участвующие в синтезе жирных кислот; имеются соли кальция и магния. Окислительные процессы происходят и в наружной мембране, но главную роль в выделении энергии играют внутренняя мембрана и матрикс. Энергия образуется и в гиалоплазме клетки в результате анаэробного расщепления глюкозы (гликолиз), при этом из каждой молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты, которая, как жирные кислоты и аминокислоты, превращается в ацетил-коэнзим А (ацетил КоА). Последний поступает в митохондрий и окисляется до воды и С02 с выделением энергии, которая запасается и расходуется также в виде АТФ. При этом из одной молекулы пировиноградной кислоты образуется 15 молекул АТФ. В итоге из одной молекулы глюкозы образуется 32 молекулы АТФ (или 38 в зависимости от путей доставки восстановительных эквивалентов в митохондрий). Тем не менее запасы АТФ в клетке невелики, они обеспечивают работу клетки только в течение нескольких секунд. Энергия накапливается также в виде других органических фосфатных соединений - фосфагенов (это характерно для скелетной и сердечной мышц, для нервных клеток). Наиболее важным фосфагеном является креатинфосфат, энергия которого идет на ресинтез израсходованной АТФ.
Рибосомы - плотные частицы, состоящие из рибосомных РНК (рРНК) и белка, причем рРНК составляет примерно 60% от всей массы рибосомы, функцией которой является синтез белков. Рибосомы располагаются либо свободно в гиалоплазме, либо соединены с эндоплазматическим ретикулумом. Отдельные рибосомы соединяются в более крупные агрегаты - полирибосомы, которые образуются с помощью информационной РНК (иРНК). Информацию о синтезе белка приносят от ядра иРНК, аминокислоты доставляются транспортной РНК (тРНК). Рибосомы, свободно лежащие в гиалоплазме, синтезируют белок для использования самой клеткой, а рибосомы, связанные с эндоплазматическим ретикулумом, синтезируют белок, который выводится из клетки, образуя межклеточное вещество, секреты. На рибосомах синтезируются различные по функции белки: ферменты, белки-переносчики, рецепторы, компоненты цитоскелета.
Б. Немембранные органеллы цитоплазмы - это фибриллярные компоненты, включающие микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты (микрофибриллы). Микротрубочки образуются в результате полимеризации белка тубулина. В аксонах и дендритах нейронов микротрубочки участвуют в транспорте различных веществ со скоростью 1-2 мм/сут - медленный транспорт и несколько сотен миллиметров в сутки - быстрый транспорт. Микрофиламенты - очень тонкие белковые нити диаметром 5-7 нм, состоят в основном из белка актина, близкого к мышечному; имеется небольшое количество миозина. Промежуточные филаменты - это образованные макромолекулами белков нити. Белковый состав промежуточных филаментов тканеспецифичен. Расположенные параллельно внутренней стороне клеточной мембраны и пронизывающие всю гиалоплазму, они образуют различные связи между микротрубочками и микрофиламентами. Совокупность фибриллярных компонентов образует цитоскелет, обеспечивающий поддержание формы клетки, внутриклеточное перемещение мембранных органелл и движение некоторых клеток -их сократительную функцию. Разнонаправленное расположение различных элементов повышает жесткость и прочность цитоскелета. Наиболее прочной составной частью цитоскелета являются промежуточные филаменты. Компоненты цитоскелета участвуют в организации митотических веретен, в процессах морфогенеза, обеспечивают движение мембраны клеток во время эндо- и экзоцитоза.
В. Ядро несет генетическую информацию и обеспечивает регуляцию синтеза белка в клетке. Это самая большая органелла клетки. Ядро состоит из ядерной оболочки (мембрана), хроматина, ядрышка и кариоплазмы. Оболочка ядра представлена двумя мембранами, просвет между которыми сообщается с полостью эндоплазматического ретикулума. Оболочка имеет поры размером около 100 нм, что обеспечивает проход РНК, рибонуклеаз, обмен других веществ между ядром и цитоплазмой. На наружной ядерной мембране располагаются рибосомы, на которых синтезируется белок. Ядрышко - внутриядерное округлое образование, не имеющее мембраны. В нем синтезируется рРНК и образуются рибосомы. В ядрышке имеются также белки и ДНК. Хроматин состоит из многих витков ДНК, связанных с белками - основными и кислыми. Хроматин содержит также РНК. Молекула ДНК по всей длине имеет отрицательный заряд, что обеспечивает присоединение к ней положительно заряженных молекул белков. Комплекс ДНК и белков - это главные компоненты хромосомы - генетического аппарата клетки. Он выполняет две главные функции: генетическую (хранение и передача генетической информации) и метаболическую - управление синтезом белка, которое включает два этапа. Этап I - создание на матрице ДНК иРНК, которая содержит код управления синтезом определенного белка. Кодом иРНК является последовательность расположения нуклеотидов, повторяющая генетический код ДНК. Этот этап называется транскрипцией. Этап II (трансляция) происходит на рибосомах: иРНК, синтезированная в ядре, через поры ядра поступает в рибосомы, где осуществляется сборка полипептида (белка) из аминокислот, доставляемых тРНК. Последняя синтезируется также в ядре клетки.
2.4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ
Клеточная мембрана (оболочка клетки) представляет собой тонкую (6 нм) липопротеиновую пластинку, содержание липидов в которой составляет около 40%, белков - около 60%. Изнутри клеточная мембрана выстлана тонким, более плотным слоем гиалоплазмы, практически лишенной органелл. На внешней поверхности мембраны имеется небольшое количество (5-10%) углеводов, молекулы которых соединены либо с белками (гликопротеиды), либо с липидами (гликолипиды) и образуют гликокаликс. Углеводы участвуют в процессах рецепции биологически активных веществ, реакциях иммунитета. Структурную основу клеточной мембраны (матрикс) составляет бимолекулярный слой фосфолипидов, являющихся барьером для заряженных частиц и молекул водорастворимых веществ. Липиды обеспечивают высокое электрическое сопротивление мембраны нейрона - до 100 Ом/см2.
Молекулы фосфолипидов мембраны состоят из двух частей: одна из них несет заряд и гидрофильна, другая - не заряжена и гидрофобна. Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двуслойные мембранные структуры под влиянием собственных зарядов. В клеточной мембране заряженные гидрофильные участки молекул фосфолипидов от одних молекул направлены внутрь клетки, а от других молекул - кнаружи. В толще клеточной мембраны молекулы фосфолипидов взаимодействуют незаряженными гидрофобными участками (они «спрятаны» от внутриклеточной и внеклеточной воды). В липидном слое клеточных мембран много холестерина. Обмен липидов в отличие от обмена белков происходит медленнее, однако возбуждение нейронов мозга приводит к уменьшению содержания в них липидов. В частности, после длительной умственной работы, при утомлении количество фосфолипидов в нейронах уменьшается (возможно, это связано с более яркой памятью у лиц напряженного умственного труда). Состав мембранных липидов определяется средой обитания и характером питания. Так, повышение количества растительных жиров в пищевом рационе уменьшает плотность липидов клеточных мембран и улучшает функции последних. Избыток холестерина в мембранах повышает их микровязкость, ухудшает транспортные функции клеточной мембраны. Однако недостаток жирных кислот и холестерина в пище нарушает липидный состав и функции клеточных мембран. Оптимальное соотношение жиров животного и растительного происхождения в пищевом рационе человека должно быть 60-70% и 40-30% соответственно.
Молекулы белков встроены в фосфолипидный матрикс клеточной мембраны. В клеточных мембранах встречаются тысячи различных белков, которые можно объединить в основные классы: структурные белки, переносчики, ферменты, белки, образующие каналы, ионные насосы, специфические рецепторы. Один и тот же белок может быть рецептором, ферментом и насосом.
Каналы образованы белковыми молекулами, вкрапленными в липидный матрикс, они пронизывают мембрану. Через эти каналы могут проходить полярные молекулы. Многие мембранные белки, так же как фосфолипиды, состоят из двух частей - заряженной и незаряженной. Незаряженные участки белков погружены в липидный слой, не несущий заряда. Заряженные участки белков взаимодействуют с заряженными участками липидов, что является важным фактором, определяющим взаиморасположение структурных элементов клеточной мембраны и ее прочность. Большинство белков, пронизывающих липидный слой, прочно связано с фосфолипидами (интегральные белки), главной их функцией является транспорт веществ через клеточную мембрану. Большая часть интегральных белков - гликопротеиды. Белки, прикрепленные к поверхности клеточной мембраны (в основном к внутренней ее части) называют периферическими, они, как правило, являются ферментами; например, ацетилхолинэстераза, фосфатазы, аденилатциклаза, протеинкиназы. Некоторые интегральные белки также выполняют функцию ферментов, например АТФаза. Рецепторами и антигенами мембраны могут быть как интегральные, так и периферические белки. Белки, примыкающие к мембране с внутренней стороны, являются также составной частью цитоскелета, который обеспечивает клеточной мембране дополнительную прочность и эластичность.
Обновление белков мембраны происходит очень быстро - в течение 2-5 дней (срок их жизни).
Клеточная мембрана нейрона, как и большинства клеток организма, имеет отрицательный поверхностный заряд, который обеспечивается выступающей из мембраны клетки углеводной частью гликолипидов, фосфолипидов, гликопротеидов (см. раздел 3.3.2). Мембрана обладает текучестью: ее отдельные части могут перемещаться из одного участка на другой.
Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: одни вещества пропускают, другие не пропускают. В частности, мембрана легкопроницаема для жирорастворимых веществ, проникающих через липидный слой; большинство мембран пропускает воду. Анионы органических кислот не проходят через мембрану, но имеются каналы, избирательно пропускающие ионы K+, Na+ Ca2+, Сl-. При действии нервных импульсов проницаемость мембраны нейрона для различных ионов изменяется, это обеспечивает движение ионов согласно концентрационному и электрическому градиентам, что выражается в возникновении возбуждающих и тормозных потенциалов (см. разделы 4.5; 4.8).
2.5. ФУНКЦИИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ НЕЙРОНА

Основными функциями клеточной мембраны являются следующие.
1. Барьерная (защитная) функция - наиболее очевидная функция клеточной мембраны, образующей поверхностную оболочку клетки. Особую роль в выполнении этой функции играют клеточные мембраны эпителиальной ткани. Они обычно образуют поверхности, отделяющие внутреннюю среду организма от внешней. Барьерная функция клеточных мембран нарушается при многих патологических процессах (атеросклероз, гипоксия, интоксикация, раковое перерождение). Многие лекарственные вещества реализуют свое влияние посредством действия на мембрану, при ее повреждении эффекты лекарственных веществ могут изменяться. Клетки, образующие наружный слой эпителия, обычно соединены с помощью плотных контактов, которые ограничивают межклеточный перенос веществ.
2. Восприятие изменений внутренней и внешней среды организма с помощью рецепторов - специальных структур, обеспечивающих узнавание различных раздражителей и реакцию на них, В клеточной мембране имеется большой набор различных рецепторов, обладающих специфической чувствительностью к различным агентам: гормонам, медиаторам, антигенам, химическим и физическим раздражителям. Рецепторы отвечают за взаимное распознавание клеток, иммунитет. На поверхности клеток рецепторами могут служить гликопротеиды и гликопептиды мембран. Возбужденный рецептор активирует G-белок мембраны, который с помощью фермента-предшественника, расположенного на внутренней поверхности клеточной мембраны, активирует второго посредника. Последний помогает реализовать эффект от раздражителя, подействовавшего на рецептор. Например: адреналин - в-адренорецептор - GS-белок - аденилатциклаза - АТФ - ЦАМФ - протеинкиназы - фосфорилирование белков - метаболизм - функция клетки. Восприятие физических и химических раздражителей (изменений внутренней и внешней среды организма) у возбудимых клеток осуществляется с помощью трансформации энергии раздражения в нервный импульс.
3. Создание электрического заряда клетки, благодаря которому у клеток возбудимых тканей возникает локальный потенциал и ПД (возбуждение) и проведение последнего. Распространение возбуждения обеспечивает быструю связь возбудимых клеток между собой, а также посылку эфферентного сигнала от нервной клетки к эффекторной (исполнительной) и получение обратных (афферентных) импульсов от нее. Следует заметить, что электрический заряд имеют не только нервные, но и все другие клетки организма. Электрические заряды клеток различаются лишь величиной. Например, мембранный потенциал эритроцита составляет около 35 мВ, а клеток нейроглии достигает 90 мВ; мембранный потенциал нейронов варьирует в пределах 60-80 мВ. Клетки растений также имеют заряд (рис. 2.2). Потенциал действия (возбуждение) генерируют только клетки возбудимых тканей (мышечной и нервной).
4. Передача сигналов от одной клетки к другой осуществляется с помощью специальных структур ˜ синапсов, образуемых в области контакта нейронов друг с другом.


Рис. 2.2. Потенциалы действия различных клеток животных н растений (по Г.Шеперд, 1987). а - тыквы; б - яйцеклетки круглого червя; в - гипофиза крысы; г - поджелудочной железы крысы
5. Транспортная функция вместе с барьерной определяют состав веществ в клетке. Наличие концентрационных и электрических градиентов различных веществ и ионов вне клетки и внутри нее свидетельствует о том, что клеточная мембрана осуществляет тонкую регуляцию содержания в цитоплазме ионов и молекул. Благодаря транспорту частиц формируется состав внутриклеточной среды, наиболее благоприятный для оптимального протекания метаболических реакций.
2.6. МЕХАНИЗМЫ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ НЕЙРОНА
2.6.1. Классификация транспорта веществ и его значение

А. Транспорт через клеточную мембрану обеспечивает: 1) поступление в клетку различных веществ, необходимых для синтеза клеточных структур и выработки энергии: 2) все перемещения частиц между клеткой и интерстицием, сосудами и интерстицием; 3) регуляцию физико-химических констант внутренней среды клетки; 4) создание электрических зарядов клеток, возникновение и распространение возбуждения; 5) выделение клетками продуктов ее обмена и биологически активных веществ: нейрогормонов, нейромедиаторов.
Б. Транспорт веществ через клеточную мембрану делят на пассивный (без затрат энергии) и активный (с затратой энергии). Считают, что движущей силой пассивного перемещения веществ являются концентрационный (химический) и электрический градиенты. Согласно концентрационному градиенту, частицы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Согласно электрическому градиенту, положительно заряженные частицы стремятся перейти в область с отрицательным электрическим зарядом, отрицательно заряженные частицы - в противоположном направлении. Направления электрического и концентрационного градиентов могут совпадать и не совпадать.
Следует, однако, заметить, что термин «пассивный транспорт» не соответствует действительности, так как электрический и концентрационный градиенты в живой клетке создаются активно, с затратой энергии.
Только обмен веществ между организмом и внешней средой может происходить частично без затрат энергии, если имеется концентрационный градиент, - это диффузия газов из легких в кровь или выход их из крови и всасывание питательных веществ в кровь из желудочно-кишечного тракта, если их концентрация в кишечнике больше, чем в крови. Термин «пассивный транспорт» необходимо исключить, так как подобного механизма в животном организме не существует, все виды транспорта веществ в организме осуществляются активно, с затратой энергии. В одних случаях энергия затрачивается непосредственно на транспорт какой-то частицы, например иона Na+, с помощью белковой молекулы, называемой насосом (помпа, см. раздел 2.6.2). Это первично-активный транспорт. В данном случае создается концентрационный (химический) градиент - запас потенциальной энергии. В других случаях энергия на перенос частиц затрачивается опосредованно: например, перенос молекул глюкозы с помощью натрия. Это вторично активный транспорт, энергия расходуется на перенос только натрия (см. раздел 2.6.3). Считают, что движение воды, согласно закону осмоса, осуществляется пассивно, без затрат энергии: вода движется в область с высокой концентрацией частиц (с высокой осмолярностью). Однако если осмотическое давление сравняется по обе стороны мембраны, то одностороннее движение воды прекратится. Движение воды, в результате которого была израсходована потенциальная энергия в виде концентрационного градиента, нельзя назвать пассивным, без затрат энергии. - это вторично активный транспорт.
Однако все частицы, в том числе ионы, не могут перемещаться сами, у
них нет собственного механизма передвижения (транспортного средства). Транспортируемые частицы являются пассивным элементом во всех случаях без исключения, их движение обеспечивает какой-то механизм, находящийся вне их (внешняя относительно частицы сила), например концентрационный градиент, ионная помпа, передвигающая ион. Активно в организме могут передвигаться только некоторые клетки, например: лейкоциты, тучные клетки. В частности, амебоидная подвижность нейтрофилов обусловлена образованием двигательных псевдоподий, при этом энергия расходуется на деятельность сократительного аппарата - актомиозиновых структур. Таким образом, расход энергии в организме на транспорт веществ в одних случаях осуществляется непосредственно, в других опосредованно.
Если энергия расходуется непосредственно на перенос частиц, транспорт следует называть первично активным. Если же на транспорт частиц расходуется ранее запасенная энергия, например концентрационный градиент, то такой транспорт следует называть вторично активным. В обоих случаях транспорт веществ является активным (с затратой энергии), поэтому вполне обоснованно использовать термины «первичный транспорт» и «вторичный транспорт» веществ.
2.6.2. Первичный транспорт

Первичный транспорт - это такой транспорт, когда энергия расходуется непосредственно на перенос частиц. Он включает, во-первых, перенос отдельных ионов вопреки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, во-вторых, эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микровезикулярный транспорт).
А. Транспорт веществ с помощью насосов (помп). Насосы представляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами переносчика и АТФазной активностью. Непосредственным источником энергии являются АТФ. Достаточно хорошо изучены Na/K.-, Са- и Н- насосы. Есть основание предполагать наличие и Cl-насоса, о чем свидетельствуют определенные факты. Рассмотрим основные характеристики насосов.
1. Специфичность насосов заключается в том, что они обычно переносят какой-то определенный ион или 2 иона. Например, Na/K-насос (объединенный насос для Na+ и К+) не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.
2. Характеристика отдельных насосов. Натрий-калиевый насос (Na/K-АТФаза) - это интегральный белок клеточной мембраны, обладающий, как и все другие насосы, свойствами фермента, т.е. сам переносчик обеспечивает расщепление АТФ и освобождение энергии, которую он же сам использует. Этот насос изучен наиболее хорошо, он имеется в мембранах всех клеток и создает характерный признак живого - градиент концентрации Na+ и К+ внутри и вне клетки, что обеспечивает формирование мембранного потенциала и вторичный транспорт веществ. Главными активаторами насоса являются гормоны (альдостерон, тироксин), ингибирует насос недостаток энергии (кислородное голодание), его специфическими блокаторами служат строфантины, особенно уабаин. Работа натриевого насоса после удаления К+ из среды сильно нарушается. Кальциевый насос локализуется в эндоплазматическом ретикулуме, он обеспечивает транспорт ионов Са2+. Насос строго контролирует содержание ионов Са2+ в клетке, поскольку изменение уровня Са2+ нарушает ее функцию. Насос переносит ионы Са2+ либо во внеклеточную среду, либо в цистерны ретикулума и митохондрии (внутриклеточное депо ионов Са2+). Протонный насос работает в митохондриях нейрона, хлорный насос, подобно всем другим помпам, главную роль, очевидно, играет в процессах торможения ЦНС (см. раздел 4.8).
3. Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных градиентов ионов, связанного с ними электрического заряда клетки и движения воды и незаряженных частиц в клетку и из клетки вторично активно согласно законам диффузии и осмоса. Совокупность этих процессов обеспечивает жизнедеятельность нейрона, как и любой другой клетки. В результате разной проницаемости клеточной мембраны для различных ионов и постоянной работы ионных помп концентрация ионов внутри и снаружи клетки неодинакова. Ионы являются заряженными частицами, поэтому существует электрический заряд нейрона. Почти во всех изученных клетках внутреннее содержимое их заряжено отрицательно по отношению к внешней среде, т.е. внутри клетки преобладают отрицательные ионы, а снаружи - положительные.
Ионы К'1" находятся преимущественно в клетке, а ионы Na+ и Сl- - во внеклеточной жидкости. Внутри клетки расположены также крупномолекулярные (в основном белкового происхождения) анионы. Na/K-насос транспортирует не только ионы Na+ и K+, но и другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты (см. раздел 2.6.3). Более трети энергии АТФ, потребляемой клеткой в состоянии покоя, расходуется на перенос только ионов Na+ и K+.
Это обеспечивает сохранение клеточного объема (осморегуляция), поддержание электрической активности в нервных клетках, транспорт других веществ.
Таким образом, первичный транспорт ионов играет исключительно важную роль в жизнедеятельности клеток.
4. Механизм работы ионных насосов заключается в следующем. Na/K-насос - молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны, переносит за один цикл 3 иона Na+ из клетки и 2 иона K+ в клетку (антипорт - противотранспорт). Это осуществляется в результате конформации молекулы белка в форму E1 или E2. Молекула имеет участок, который связывает либо ион Na+, либо ион K+, - это активный участок. При конформации E1 белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и обладает сродством к иону Na+, который присоединяется к белку, в результате чего активируется его АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и освобождение энергии. В результате освобождения энергии изменяется конформация молекулы белка: она превращается в форму E2, в результате чего активный ее участок уже обращен наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродство к иону Na+, последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону K+ и соединяется с ним. Это ведет снова к изменению конформации переносчика: форма E2 переходит в форму E1, активный участок белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону K+ и последний отщепляется, а белок приобретает снова сродство к иону Na+ - цикл повторяется. Насос является электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Na+ а возвращаются в клетку 2 иона K+. Энергия расходуется только на перенос ионов Na+. На обеспечение одного цикла работы Na/K - помпы расходуется одна молекула АТФ.
Подобным образом работают Са-АТФазы эндоплазматического ретикулума и клеточной мембраны, с той лишь разницей, что переносятся только ионы Сa2+ и в одном направлении - из гиалоплазмы в эндоплазматический ретикулум, а также наружу клетки. Кальциевый насос (Са-АТФаза) - молекула интегрального белка, также имеет активный участок, связывающий один или два иона Сa2+ и может быть в двух конформациях - E1 и E2. В конформации E1 активный участок молекулы белка обращен в гиалоплазму, обладает сродством к иону Сa2+ и соединяется с ним. В результате этого переходит в конформацию E2, когда активный участок молекулы белка обращен внутрь эндоплазматического ретикулума или наружу клетки. При этом уменьшается сродство белка к иону Сa2+, последний отщепляется от него. В присутствии иона Mg2+ освобождается энергия АТФ, за счет которой молекула белка Са-АТФазы вновь переходит в конформацию E1; цикл повторяется.
Б. Эндоцитоз и экзоцитоз (микровезикулярный транспорт).
Это еще два первичных (первично активных), близких по механизму транспорта, посредством которых различные материалы переносятся через мембрану либо в клетку (эндоцитоз), либо из клетки (экзоцитоз). С их помощью транспортируются крупномолекулярные вещества (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), которые не могут транспортироваться по каналам или с помощью насосов.
1. При эндоцитозе клеточная мембрана образует впячивания, или выросты, внутрь клетки, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Последние затем обычно сливаются с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы, в которых содержимое подвергается гидролизу - внутриклеточному перевариванию. Продукты гидролиза используются клеткой. Например, выделившийся медиатор нервным окончанием захватывается снова посредством эндоцитоза.
2. Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу, это механизм секреции нейрогормонов и нейромедиаторов. Экзоцитозные пузырьки образуются в аппарате Гольджи. В пузырьки упаковываются белки. образовавшиеся в рибосомах эндоплазматического ретикулума. Низкомолекулярные вещества (медиаторы, некоторые гормоны) попадают в везикулы преимущественно с помощью вторичного транспорта. Пузырьки транспортируются посредством сократительного аппарата клетки, состоящего из нитей актина и миозина и микротрубочек, к клеточной мембране, сливаются с ней, а содержимое клетки выделяется во внеклеточную среду. Энергия АТФ расходуется на деятельность сократительного аппарата клетки. Процесс слияния везикул с клеточной мембраной активируется фосфолипидом, лизолецитином и уровнем внутриклеточных ионов Са2+. Например, поступление ионов Са2+ в нервное окончание обеспечивает выделение медиатора через пресинаптическую мембрану в синаптическую щель. В процессе взаимодействия эндо- и экзоцитоза происходит самообновление клеточной мембраны (кругооборот, рециркуляция): в течение каждого часа в процессе эндоцитоза в разных клетках используется от 3 до 100% клеточной оболочки, но с такой же скоростью происходит ее возобновление в результате экзоцитоза.
3. Трансцитоз сочетает элементы эндо- и экзоцитоза. Это перенос частиц через клетку: например, перенос молекул белка в виде везикул через эндотелиальную клетку капилляров на другую сторону в интерстиций мозга. В данном случае эндоцитозные пузырьки не взаимодействуют с лизосомами, при этом пузырьки могут сливаться друг с другом, образуя каналы, пересекающие всю клетку.
2.6.3. Вторичный транспорт
Вторичный транспорт - это переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасенной (потенциальной) энергии. Потенциальная энергия создается в виде электрического и концентрационного градиентов, что обеспечивает транспорт веществ через клеточную мембрану нейронов. Ко вторичному относятся следующие виды транспорта.
А. Диффузия. Согласно законам диффузии, частицы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Частицы с одноименными электрическими зарядами отталкиваются, с разноименными - притягиваются друг к другу. Направление диффузии определяется взаимодействием электрического и концентрационного (химического) градиентов. Если частицы не заряжены, то направление их диффузии определяется только градиентом концентрации. Скорость диффузии зависит от проницаемости клеточной мембраны, а также градиента концентрации для незаряженных частиц; электрического и концентрационного градиентов для заряженных частиц. Направления действия электрического и концентрационного градиентов могут не совпадать. Например, ионы Na+ в процессе возникновения возбуждения продолжают поступать в клетку, когда она внутри уже заряжена положительно. Этот переход ионов обеспечивается концентрационным градиентом вопреки электрическому градиенту. Совокупность химического (концентрационного) и электрического градиентов называют электрохимическим градиентом. Различают простую и облегченную диффузии и осмос как частный случай диффузии.
1. Простая диффузия осуществляется либо непосредственно через липидный бислой, либо через каналы. Заряженные частицы движутся согласно электрохимическому градиенту, а незаряженные - согласно только химическому градиенту. Через липидный бислой проходят жирорастворимые частицы. Если они находятся в воде по одну сторону мембраны, то могут внедряться в липидную оболочку благодаря тепловому движению (при этом необходимо освободиться от гидратной оболочки). Частицы-неэлектролиты обычно легко освобождаются от гидратной оболочки (разрыв водородных связей). Естественно, с уменьшением молекулярной массы способность перехода частиц через мембрану возрастает. Примером простой диффузии через липидный слой может служить диффузия малых незаряженных полярных молекул: этанола, кислорода, углекислого газа, стероидных гормонов и других липидов, тироксина, мочевины, а также чуждых клетке веществ, в частности ядов и лекарственных средств.
Этот процесс происходит слишком медленно и плохо контролируется.
В ходе эволюции сформировались специальные каналы, по которым могут проходить различные частицы, причем ионы очень быстро - за 0,5-1 мс. Каналы заполнены водой, и кроме ионов через них могут проходить малые молекулы неэлектролитов (этанол, мочевина), заряженные молекулы. Диаметр этих каналов 0,3-0,8 нм. Скорость диффузии определяется электрохимическим градиентом и проницаемостью клеточной мембраны для данного вещества. С течением времени скорость простой диффузии изменяется мало, пока существует движущая сила (электрический или концентрационный градиент), так как по одному и тому же каналу или через липидный бислой после прохождения одной частицы сразу же может следовать другая (подробнее о каналах см. раздел 2.6.4).
2. Облегченная диффузия осуществляется также согласно концентрационному градиенту и обеспечивает перенос веществ, способных образовывать комплексы с молекулами—переносчиками мембранных белков. Переносчик должен свободно переходить с одной стороны мембраны на другую. Этот транспорт осуществляется очень быстро, поскольку переносчик облегчает переход транспортируемого вещества через мембрану. Движущей силой является градиент транспортируемого вещества. С помощью простой диффузии не могут проходить через мембрану даже небольшие полярные молекулы: моносахариды, аминокислоты. Облегченная диффузия имеет ряд особенностей:
•наличие специфических переносчиков для отдельных или нескольких веществ, близких по строению. Вещества, имеющие сходные по строению молекулы, могут переноситься одним и тем же переносчиком и конкурировать за переносчика;
•у молекулы-переносчика может быть особый канал, пропускающий вещество только одного определенного типа;
•с увеличением концентрации вещества с одной стороны мембраны скорость облегченной диффузии возрастает только до определенного предела в отличие от простой диффузии. Прекращение нарастания облегченной диффузии при увеличении концентрации вещества свидетельствует о том, что все переносчики уже заняты, - явление насыщения. Выделяют специфическое стимулирование и ингибирование облегченной диффузии: например, флоридзин, введенный в просвет кишечника, специфически подавляет транспорт Сахаров, не затрагивая переноса аминокислот; инсулин активирует перенос глюкозы в клетки организма. Переносчиками являются белковые молекулы, которые совершают челночные движения через мембрану либо встраиваются в нее. В последнем случае образуется канал, по которому проходят транспортируемые вещества, в основном сахара, аминокислоты.
В случае предполагаемых челночных движений белковых молекул-переносчиков возникает вопрос: какая сила обеспечивает транспорт самих переносчиков? Если это одностороннее движение, то оно быстро прекратится после уравнивания концентрации самих переносчиков по обе стороны клеточной мембраны. На этот вопрос ответа пока нет. Мы полагаем, что возможны два механизма. Во-первых, за счет создания градиента концентрации самого переносчика, с помощью концентрационного градиента транспортируемого вещества. Если, например, концентрация глюкозы или аминокислоты больше вне клетки, чем в клетке, то она может переходить в клетку согласно своему градиенту концентрации. Образование комплекса молекул глюкоза - переносчик лишь улучшает прохождение глюкозы через мембрану согласно концентрационному градиенту глюкозы. Движущей силой является концентрационный градиент глюкозы. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, поэтому концентрация молекул-переносчиков возрастает и они, согласно своему концентрационному градиенту, переходят на наружную сторону клеточной мембраны, снова соединяются с глюкозой и ускоряют ее переход в клетку. Во-вторых, челночные движения переносчика могут осуществляться с помощью ионов К+. Известно, что К+ постоянно диффундирует из клетки согласно концентрационному градиенту. При этом в клетке может образоваться комплекс ион К+ - молекула переносчика, который и перейдет с внутренней стороны клеточной мембраны на наружную сторону. В этом случае движущей силой является концентрационный градиент иона К+, который затем переносится в клетку Na/K-помпой с непосредственной затратой энергии, т.е. первично активно. Напомним, что энергия здесь затрачивается только на транспорт иона Na-1' - экономичность транспорта веществ. Переносчик транспортируется вторично активно, если не будет работать Na/K-помпа, челночные движения переносчика согласно такому представлению прекратятся.
3. Осмос - это частный случай диффузии: движение воды (растворителя) через полупроницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, т.е. с большим осмотическим давлением. Осмотическое давление - это диффузионное давление, обеспечивающее движение растворителя через полупроницаемую мембрану. Измеряется минимальной величиной механического давления на раствор (например, с помощью поршня), препятствующего движению растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмотическое давление одномолярного раствора чрезвычайно велико - 22,4 атм, в плазме крови оно существенно ниже - 7,6 атм, несколько больше внутри клетки, что и обеспечивает ее упругость вследствие поступления воды в клетку и растяжения ее мембраны. Осмос продолжается до выравнивания осмотического давления по обе стороны полупроницаемой мембраны или выравнивания осмотического давления и гидростатического противодавления. Поэтому при подавлении метаболизма клетки быстро набухают, так как внутри клетки осмотическое давление сохраняется повышенным: внутрь клеток поступает вода и они становятся более упругими. Вода поступает в клетку через водные каналы и временные поры, образующиеся между молекулами липидов и при смещении белков. Через водные каналы могут проходить также малые незаряженные молекулы: кислород, углекислый газ, этанол, мочевина.
Б. Натрийзависимый транспорт. В этом случае энергия затрачивается на создание градиента натрия. Различают два варианта данного механизма транспорта.
Первый вариант: направление движения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту (симпорт). Глюкоза связывается с белком-переносчиком мембраны, последний соединяется с ионом Na+, a Na+, согласно концентрационному и электрическому градиентам, диффундирует в клетку и несет с собой глюкозу. На внутренней стороне клеточной мембраны комплекс распадается, ион Na+ выводится помпой с непосредственной затратой энергии из клетки в интерстиций вопреки электрохимическому градиенту - первично активно. С помощью натриевого механизма обеспечивается обратный захват (реабсорбция) медиатора в пресинаптическую терминаль из синаптической щели в синапсах ЦНС. Транспорт веществ с помощью иона Na+ осуществляется согласно законам диффузии для ионов Na+. Транспортируемое вещество при этом может поступать в клетку вопреки собственному концентрационному градиенту. Движущей силой является электрохимический градиент ионов Na4'. Глюкоза вместе с ионом Na+ попадает в клетку даже в том случае, если ее концентрация в клетке больше, чем в среде, если, конечно, электрохимический градиент Na+ превосходит концентрационный градиент глюкозы.
Второй вариант: перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную движению ионов Na+ сторону - это антипорт (противотранспорт). С помощью этого обменного механизма регулируется, например, содержание ионов Са2+ в клетке, рН внутри клетки за счет выведения иона Н+ в обмен на внеклеточный ион Na+. Внутриклеточная концентрация иона Ca2+ на несколько порядков ниже внеклеточной. Натриевый концентрационный градиент участвует в выведении иона Са2+ из клетки. Об этом свидетельствует, в частности, следующий факт. Выведение иона Ca2+ из клетки снижается, если удалить из внеклеточной среды ион Na+. Это позволяет предположить, что ион Са2+ выводится из клетки в обмен на поступающий в нее ион Na+ и противоположно направленные потоки этих ионов сопряжены друг с другом; обеспечивается данный транспорт переносчиком-обменником. Исходным источником энергии этого процесса опять является градиент Na+, который в конечном счете формируется за счет АТФ-зависимого активного транспорта ионов Na+. Поэтому во всех случаях, когда ток ионов Na+ в клетку уменьшается, снижается и выведение ионов Са2+ из клетки. Это наблюдается в следующих случаях: при ингибировании Na/K-АТФазы, уменьшении внеклеточной концентрации ионов Na+- и в бескалиевой среде (когда Na+ выводится недостаточно из клетки). При этом Na/Ca-обменник блокируется, в результате чего увеличивается внутриклеточная концентрация ионов Ca2+.
Однако конкретный механизм работы переносчика-обменника не ясен. Переносчик может транспортировать ионы Са2+ и Н+ вопреки их электрическим и концентрационным градиентам только в том случае, если сам переносчик имеет собственный градиент - его концентрация на внутренней стороне клетки больше, чем на наружной. Этот градиент должен постоянно поддерживаться, иначе перенос ионов Са2+ и Н+ прекратится. Мы полагаем, что выведение ионов Са2+ и Н+ из клетки в результате диффузии иона Na+ в клетку (противотранспорт) осуществляется следующим образом. Ион Na+ постоянно диффундирует в клетку согласно своему электрохимическому градиенту и транспортирует с собой (в комплексе) молекулы-переносчики, что и ведет к созданию их концентрационных градиентов. Ионы Са2+ и Н+ на внутренней стороне клетки соединяются со своими переносчиками и транспортируются из клетки в виде комплексов согласно градиентам своих переносчиков. Именно поэтому, например, блокада Na/K-насоса ведет к накоплению ионов Са2+ в клетках (транспорт ионов Ca24' из клетки уменьшается). Это примеры вторичного транспорта вещества за счет первичного транспорта иона Na+, который с помощью помпы выводится из клетки. Переносчики совершают челночные движения за счет работы Na/K-насоса - вторично активно и транспортируют с собой ионы Са2+ и Н+.
В. Транспорт веществ из кровеносных сосудов в интерстиций ЦНС осуществляется с помощью диффузии, осмоса, фильтрации и трансцитоза. Фильтрация - переход раствора через полупроницаемую мембрану (стенку сосуда) под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны этой мембраны. Градиент гидростатического давления создается либо деятельностью сердца (фильтрация в артериальном конце капилляра всех органов и тканей организма, а также образование первичной мочи в почке), либо гладкими мышцами пищеварительного тракта и мышечного пресса, обеспечивающих повышение гидростатического давления в полости желудка и кишечника, что способствует всасыванию веществ в кровь.
Таким образом, механизмы вторичного транспорта веществ весьма разнообразны. Вторичный транспорт ионов осуществляется, как правило, с помощью простой диффузии через специальные ионные каналы.
2.6.4. Ионные каналы

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму действия. Известно более 50 каналов различных клеток, каждая нервная клетка содержит более пяти разных каналов.
А. Классификация ионных каналов. Классифицируют ионные каналы по нескольким признакам.
1. По возможности управления функцией различают неуправляемые (каналы утечки ионов) и управляемые каналы. Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно, при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам. Последние могут быть быстрыми и медленными. Потенциал действия в нейроне возникает в основном вследствие активации быстрых Na- и К-каналов. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы через них могут проходить только при открытых воротах.
2. В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего управляемые ионные каналы, основными каналами нейронов ЦНС являются потенциалчувствительные и хемочувствительные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами хемочувствительного канала, расположенного на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие его ворот, поэтому хемочувствительный канал называют также рецепторуправляемым каналом. Лиганд - это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд.
3. В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. В нейронах имеются Na-, К-, Са- и С1-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например, Na+ , К+ и Са2+, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов, постсинаптических мембран, через каналы которых могут одновременно проходить ионы Na+ и К+.
4. Для одного и того же иона может быть несколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие.
Каналы для ионов К+. Калиевые неуправляемые каналы покоя (каналы утечки), через которые постоянно выходит К+ из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала (потенциала покоя). Потенциалчувствительные управляемые К-каналы, сравнительно медленно активирующиеся при возбуждении клетки в фазу деполяризации с последующим ускорением активации, что обеспечивает быстрый выход ионов К4' из клетки и ре-поляризацию ее (см. раздел 3.4).
Каналы для ионов Na+. Они бывают быстрые и медленные (утечки). Быстрые Na-каналы потенциалчувствительны, быстро активируются при уменьшении мембранного потенциала, что обеспечивает вход иона Na+ в клетку во время ее возбуждения (восходящая часть). Затем эти каналы быстро инактивируются. Медленные неуправляемые Na-каналы - каналы утечки, через которые ион Na+ постоянно диффундирует в клетку и переносит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Na-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие ионов Na+ в формировании мембранного потенциала (см. раздел 3.3).
Б. Устройство ионных каналов и их функционирование. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы - и воротный механизм. Они заполнены жидкостью, размеры каналов 0,3-0,8 нм. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Например, диаметр иона Na+ с гидратной оболочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболочки - 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеивания» не в состоянии объяснить, например, почему ион К+ не проходит через открытые Na-каналы в начале цикла возбуждения клетки, но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) проницаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов.
В. Особенности функционирования различных видов управляемых каналов. Такие каналы отличаются по степени селективности. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов. У каналов разных видов может наблюдаться или отсутствовать взаимодействие между собой. Так, частичная деполяризация клеточной мембраны за счет активации хемочувствительных каналов может привести к активации потенциалчувствительных каналов, например, для ионов Na+, что обеспечивает возбуждение нейрона. Однако активация потенциалчувствительных каналов не влияет на функцию хемочувствительных каналов нейронов.
Г. Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами. Новокаин, например, как местный анестетик снимает болевые ощущения потому, что он, блокируя Na-каналы, прекращает проведение возбуждения по нервным волокнам.
2.6.5. Основные свойства нервной клетки

1. Возбудимость - это свойство нейрона генерировать потенциал действия на раздражение. Исходя из этого определения, необходимо отметить следующее. Возбудимость является частным случаем наиболее общего свойства всех клеток - раздражимости.
К возбудимым клеткам относятся только те, которые генерируют потенциал действия. Это мышечные и нервные клетки. Нередко к возбудимым тканям относят и «железистую ткань». Однако для этого нет оснований, поскольку железистой ткани нет, имеются различные железы и железистый эпителий как вид ткани. В процессе активной деятельности железы в ней действительно регистрируются биоэлектрические явления, так как железа как орган состоит из различных клеток: соединительной ткани, эпителиальной, мышечной. ПД проводится по мембранам нервных и мышечных клеток, с его помощью передается информация и обеспечивается управление деятельностью клеток организма.
Невозбудимыми тканями являются эпителиальная и соединительная (собственно соединительная, ретикулярная, жировая, хрящевая, костная и гематопоэтические ткани в совокупности с кровью). Клетки этих тканей не генерируют потенциалы действия при действии на них раздражителя.
Раздражитель - это любое изменение внешней или внутренней среды организма, воспринимаемое клетками и вызывающее ответную реакцию. В зависимости от природы раздражители делят на физические (электрические, механические, температурные, световые) и химические, в зависимости от степени чувствительности клеток к тому или иному раздражителю - на адекватные и неадекватные. Адекватный раздражитель - это такой раздражитель, к которому клетка обладает наибольшей чувствительностью вследствие наличия специальных структур, воспринимающих этот раздражитель. Адекватным раздражителем нейронов являются медиаторы и электрические импульсы.
Из всех видов раздражителей в эксперименте часто используют электрический раздражитель, поскольку он является универсальным, его легко дозировать по силе, длительности, частоте и крутизне нарастания силы стимула.
2. Проводимость - это способность ткани и клетки проводить возбуждение (см. раздел 4.1). Процессы возбуждения и торможения нервных клеток (электрические явления) обеспечивают выполнение их функций. Следует отметить, что все клетки и ткани организма обладают раздражимостью - это общее свойство живой материи активно изменять характер своей жизнедеятельности при действии раздражителя. Реакции отдельных клеток, тканей на действие раздражителя могут быть весьма разнообразными: изменение интенсивности обмена веществ, рН, проницаемости клеточной мембраны, движение ионов, электрические явления, ускорение клеточного деления и роста, структурно-функциональные реакции (например, выделение секрета железистыми клетками или сокращение мышечных клеток). Степень выраженности возможных изменений может быть различной, она зависит от вида клеток или ткани, которые подвергаются действию раздражителя. Таким образом, возбудимость - это частный вид раздражимости.
Глава 3 ВОЗБУДИМОСТЬ И ВОЗБУЖДЕНИЕ НЕЙРОНОВ ЦНС
3.1. СОЗРЕВАНИЕ ЦНС В ОНТОГЕНЕЗЕ

Показателем функциональной зрелости ЦНС является миелинизация проводящих путей, от которой зависит скорость проведения возбуждения в нервных волокнах, величина ПП и ПД, точность и скорость двигательных реакций в раннем онтогенезе.
Миелинизация различных путей в ЦНС происходит в таком же порядке, в каком они развиваются в филогенезе.
Общее число нервных клеток в составе ЦНС достигает наибольшей величины в первые 20-24 недели антенатального периода и остается относительно постоянным вплоть до зрелого возраста, лишь незначительно уменьшается в период раннего постнатального онтогенеза.
3.1.1. Закладка нервной системы

Центральный и периферический отделы нервной системы человека развиваются из единого эмбрионального источника - эктодермы. В процессе развития зародыша она закладывается в виде так называемой нервной пластинки - группы высоких, быстро размножающихся клеток по средней линии зародыша. На. 3-й неделе развития нервная пластинка погружается в подлежащую ткань, принимает форму желобка, края которого несколько приподнимаются над уровнем эктодермы в виде нервных валиков. По мере роста зародыша нервный желобок удлиняется и достигает каудального конца зародыша. На 19-й день развития начинается процесс смыкания нервных валиков над желобком, в результате чего образуется длинная полая трубка - нервная трубка, располагающаяся непосредственно под поверхностью эктодермы, но отдельно от последней.
При замыкании нервного желобка в трубку и срастании его краев материал нервных валиков оказывается зажатым между нервной трубкой и смыкающейся над ней кожной эктодермой. При этом клетки нервных валиков перераспределяются в один слой, образуя ганглиозную пластинку - зачаток с очень широкими потенциями развития. Из этого эмбрионального зачатка образуются все нервные узлы соматической периферической и вегетативной нервных систем, включая внутриорганные нервные элементы.
Процесс замыкания нервной трубки начинается на уровне 5-го сегмента, распространяясь как в головном, так и в каудальном направлении. К 24-му дню развития он заканчивается в головной части, сутками позже - в каудальной. Каудальный конец нервной трубки временно смыкается с задней кишкой, образуя нейроэнтеральный канал.
Сформировавшаяся нервная трубка в головном конце, на месте образования будущего головного мозга, расширяется. Более тонкая каудальная часть ее преобразуется в спинной мозг.
Параллельно с формированием нервной трубки происходит образование других структур (хорда, мезодерма), которые вместе с нервной трубкой составляют так называемый комплекс осевых зачатков. С образованием комплекса осевых зачатков зародыш человека, лишенный ранее оси симметрии, приобретает билатеральную симметрию. Теперь уже совершенно отчетливо в нем различимы головной и каудальный отделы, правая и левая половины туловища.
Развитие различных отделов центральной и периферической нервных систем в пре- и постнатальном онтогенезе человека происходит неравномерно. Особенно сложный путь развития проходит центральная нервная система.
Клетки сформированной нервной трубки, которые в своем дальнейшем развитии дадут начало как нейронам, так и глиоцитам, носят название медуллобластов. Клеточные элементы ганглиозной пластинки, обладающие, по-видимому, такими же гистогенетическими потенциями, называются ганглиобластами. Следует отметить, что на начальных этапах дифференцировки нервной трубки и ганглиозной пластинки их клеточный состав однороден.
В своей дальнейшей дифференцировке медуллобласты детерминируются частью в нейтральном направлении, превращаясь в нейробласты, частью в нейроглиальном направлении, образуя спонгиобласты.
Нейробласты отличаются от нейронов значительно меньшей величиной, отсутствием дендритов и синаптических связей (следовательно, они не включены в рефлекторные дуги), а также отсутствием субстанции Ниссля в цитоплазме. Однако они уже имеют слабовыраженный нейрофибриллярный аппарат, формирующийся аксон и характеризуются отсутствием способности к митотическому делению.
В спинальном отделе первичная нервная трубка рано делится на три слоя: внутренний - эпендимный, промежуточный - мантийный (или плащевой) и наружный светлый - краевую вуаль.
Эпендимный слой дает начало нейронам и глиальным клеткам (эпендимоглии) центральной нервной системы. В его составе обнаруживаются нейробласты, которые впоследствии мигрируют в мантийный слой. Остающиеся в эпендимном слое клетки прикрепляются к внутренней пограничной мембране, посылают наружу отростки, участвуя тем самым в образовании наружной пограничной мембраны. Они носят название спонгиобластов, которые в случае утери связи с внутренней и наружной пограничными мембранами превратятся в астроцитобласты. Те клетки, которые сохранят свою связь с внутренней и наружной пограничными мембранами, превратятся в эпендимные глиоциты, выстилающие у взрослого центральный канал спинного мозга и полости желудочков мозга. Они приобретают в процессе дифференцировки реснички, способствующие току цереброспинальной жидкости.
Эпендимный слой нервной трубки как в туловищном, так и в головном ее отделе сохраняет до сравнительно поздних стадий эмбриогенеза потенцию к образованию весьма разнообразных тканевых элементов нервной системы.
В мантийном слое развивающейся нервной трубки располагаются нейробласты и спонгиобласты, дающие при дальнейшей дифференцировке астроглию и олигодендроглию. Этот слой нервной трубки является наиболее широким и насыщенным клеточными элементами.
Краевая вуаль - наружный, самый светлый слой нервной трубки не содержит клеток, будучи выполненным их отростками, кровеносными сосудами и мезенхимой.
Особенностью клеток ганглиозной пластинки является то, что их дифференцировке предшествует период миграции в более или менее удаленные от первоначальной их локализации участки тела зародыша. Наиболее короткую миграцию претерпевают клетки, составляющие закладку спинномозговых узлов. Они спускаются на незначительное расстояние и располагаются по бокам от нервной трубки сначала в виде рыхлых, а затем более плотных крупных образований. У зародыша человека 6-8 нед развития спинномозговые узлы представляют собой очень большие образования, состоящие из крупных отростчатых нейронов, окруженных олигодендроглией. С течением времени нейроны спинномозговых ганглиев преобразуются из биполярных в псевдоуниполярные. Дифференцировка клеток внутри ганглиев происходит асинхронно.
Значительно более отделенную миграцию претерпевают те клетки, которые мигрируют из ганглиозной пластинки в ганглии пограничного симпатического ствола, ганглии превертебральной локализации, а также в мозговое вещество надпочечников. Особенно велика протяженность путей миграции нейробластов, вселяющихся в стенку кишечной трубки. Из ганглиозной пластинки они мигрируют по ветвям блуждающего нерва, достигают желудка, тонкой и наиболее краниальных частей толстой кишки, давая начало интрамуральным ганглиям. Именно столь длительным и сложным путем миграции структур, in situ управляющих процессом пищеварения, объясняется частота различного рода поражений этого процесса, возникающих как внутриутробно, так и после малейших нарушений диеты ребенка, особенно новорожденного или ребенка первых месяцев жизни.
Головной конец нервной трубки после ее замыкания очень быстро подразделяется на три расширения - первичные мозговые пузыри. Сроки их образования, скорость клеточной дифференцировки и дальнейших преобразований у человека очень велики, Это позволяет рассматривать цефализацию - опережающее и преимущественное развитие головного отдела нервной трубки как видовой признак человека.
Полости первичных мозговых пузырей сохраняются в мозге ребенка и взрослого в видоизмененной форме и образуют полости желудочков и сильвиева водопровода.
Самым ростральным отделом нервной трубки является передний мозг (prosencephalon); за ним следует средний (mesencephalon) и задний (rhombencephalon). В последующем развитии передний мозг делится на конечный (telencephalon), включающий полушария большого мозга и некоторые базальные ядра, и промежуточный (diencephalon). С каждой стороны промежуточного мозга вырастает глазной пузырь, формирующий нервные элементы глаза. Средний мозг сохраняется как единое целое, но в процессе развития в нем происходят значительные изменения, связанные с образованием специализированных рефлекторных центров, имеющих отношение к работе органов чувств: зрению, слуху, тактильной, болевой и температурной чувствительности.
Ромбовидный мозг делится на задний (metencephalon), включающий мозжечок и мост, и продолговатый (myelencephalon) мозг.
Одной из важных нейрогистологических характеристик развития нервной системы высших позвоночных является асинхронность дифференцировки ее отделов. Нейроны различных отделов нервной системы и даже нейроны в пределах одного центра дифференцируются асинхронно: а) дифференцировка нейронов вегетативной нервной системы значительно отстает от таковой в основных отделах соматической системы; б) дифференцировка симпатических нейронов несколько отстает от развития парасимпатических.
Раньше всего происходит созревание продолговатого и спинного мозга, позже морфологически и функционально развиваются ганглии ствола головного мозга, подкорковые узлы, мозжечок и кора больших полушарий. Каждое из этих образований проходит определенные этапы функционального и структурного развития. Так, в спинном мозге раньше созревают элементы в области шейного утолщения, а затем идет постепенное развитие клеточных структур в каудальном направлении; первыми дифференцируются спинальные мотонейроны, позже - чувствительные нейроны и в последнюю очередь - вставочные нейроны и проводящие межсегментные пути. Ядра стволовой части головного мозга, промежуточный мозг, подкорковые ганглии, мозжечок и отдельные слои коры большого мозга структурно развиваются также в определенной последовательности и в тесной связи друг с другом. Рассмотрим развитие отдельных областей нервной системы.
3.1.2. Развитие спинного мозга и спинномозговых ганглиев

После разделения нервной трубки на три слоя (эпендимный, плащевой, краевая вуаль) в той ее части, которая образует в дальнейшем спинной, продолговатый, задний и средний мозг, в мантийном слое по всему длиннику названных отделов определяются четыре параллельные колонки нейробластов: две - расположенные дорсолатерально и две - вентролатерально. Они являются закладками будущих рогов серого вещества спинного мозга и их аналогов в вышележащих отделах ствола. Из вентролатеральных колонок образуются передние рога, из дорсолатеральных - задние.
По мере увеличения количества клеток вентролатеральных колонок образуются группы отдельных ядерных скоплений, при этом колонка превращается в ряд последовательно расположенных расширений. Такое первичное сегментарное расположение нейробластов заметно уже у эмбрионов человека размером 8-10 мм (5-6-я неделя развития). Чуть позднее (размер зародыша 10-15 мм) каждая вентролатеральная колонка подвергается вторичной продольной перестройке с образованием нескольких (чаще всего четко выделяемых трех) групп клеток.
Дорсолатеральные колонки дают начало задним рогам спинного мозга с их ассоциативными нейронами. Уже на 5-й неделе внутриутробного развития можно видеть нервные волокна, идущие от дорсомедиальных колонок в краевую вуаль.
Спинномозжечковые волокна, занимающие наиболее латеральное положение, появляются несколько позже, чем пучки, предшествующие им по времени формирования и лежащие более медиально. Волокна дорсального касатика, содержащие в своем составе главным образом нейриты клеток спинномозговых узлов, на 5-й неделе развития очень короткие, а у эмбрионов длиной 35 мм (8-9-я неделя развития) они смещаются медиально, формируя задние столбы спинного мозга.
Тот факт, что спонтанные движения эмбриона появляются раньше, чем наступает момент, когда можно вызвать рефлекторные ответы на раздражения, свидетельствует о более раннем созревании в эмбриогенезе вентролатеральных колонок и содержащихся в них нейронов.
Мотонейроны, иннервирующие скелетную мускулатуру, также созревают раньше нейронов высших отделов нервной системы (мозжечка, коры больших полушарий). Общая скорость дифференцировки нервных клеток одинакова, по-видимому, в большей части спинного мозга и вполне достаточна для того, чтобы обеспечить избыточное число нейронов, необходимых для иннервации мышц туловища. Известно также, что значительное количество нейронов грудного отдела спинного мозга погибает в эмбриональном развитии, по каким-то причинам не включившись в состав рефлекторных дуг.
В онтогенезе, как и в филогенезе, опережающими темпами происходят формирование и миелинизация филогенетически старых путей спинного мозга; новые филогенетические приобретения формируются и миелинизируются позже. Внешняя форма, топография, размеры и строение спинного мозга в процессе его внутриутробного развития изменяются довольно сильно. Одним из наиболее выраженных даже на макроскопическом уровне изменений является формирование шейных и поясничных утолщений спинного мозга, связанных с ростом зачатков верхних и нижних конечностей. Спинной мозг новорожденного представляет собой анатомически и гистологически вполне дифференцированную структуру, обеспечивающую на необходимом уровне рефлекторную деятельность ребенка этого этапа развития. Его масса составляет 3-4 г; масса спинного мозга взрослого человека равна приблизительно 30 г. Отсюда ясно, что у новорожденного спинной мозг имеет довольно большую относительную массу по сравнению с общей массой тела. Четко выражены его шейные и поясничные утолщения. Общий рост спинного мозга отстает от роста позвоночника уже с 4-го месяца внутриутробного развития, вследствие чего его нижний конец как бы перемещается кверху.
В процессе развития происходит изменение формы просвета и размеров центрального канала спинного мозга. Диаметр канала у новорожденного больше, чем у детей последующих возрастных групп. В течение первого года жизни заканчивается редукция просвета центрального канала.
Основная масса проводящих путей спинного мозга в этот период сформирована, однако процесс их миелинизации не завершен. В частности, не миелинизированы еще пирамидные пути. Следует особо отметить, что миелинизация проводящих путей, обеспечивающих реализацию жизненно важных рефлексов (акт сосания, хватательный рефлекс), заканчивается до момента рождения.
Глиальный остов спинного мозга новорожденного представляется сформированным. Нейроны располагаются группами (ядрами) и по ряду гистологических признаков (морфология и положение ядра, наличие и распределение нейрофибрилл, степень выраженности тигроида) в большинстве своем представляются зрелыми.
Спинной мозг новорожденного имеет более законченное морфологическое строение по сравнению с головным, в связи с чем оказывается и более совершенным в функциональном отношении.
Рост спинномозгового канала наиболее выражен в грудном отделе. Шейное и поясничное утолщения начинают формироваться в первые годы жизни ребенка. Гистологически в раннем возрасте отмечается преобладание передних рогов над задними; нервные клетки расположены группами, ткань глии хорошо развита.
Рост спинного мозга продолжается приблизительно до 20 лет. Масса его увеличивается примерно в 8 раз по сравнению с периодом новорожденное™. Однако к 5-6 годам соотношение спинного мозга и позвоночного канала становится таким же, как у взрослых.
3.1.3. Развитие продолговатого, заднего, среднего и промежуточного мозга

А. Продолговатый мозг (myelencephalon). На начальных этапах формирования продолговатый мозг имеет сходство со спинным мозгом. В частности, в нем также в середине 2-го месяца внутриутробного развития образуются вентролатеральные и дорсолатеральные колонки клеток. Чаще всего для вышележащих отделов ЦНС они называются крыловидной пластинкой (дорсолатеральные колонки) и базальной пластинкой (вентролатеральные колонки нейробластов). При дальнейшем морфогенезе крыловидная и базальная пластинки как бы расходятся в латеральном направлении, раскрываясь наподобие книжки. Это происходит в период образования мозгового изгиба. Клетки мезенхимы, прилежащие к верхним отделам развивающегося продолговатого мозга, дают начало большому числу ангиобластов, образующих сосудистые сплетения, из которого формируется сосудистое сплетение четвертого (IV) желудочка. Этот процесс начинается уже на 6-й неделе внутриутробного развития.
На 3-м месяце внутриутробного развития крыловидная и базальная пластинки расщепляются в продольном направлении, причем из крыловидной пластинки образуются четыре клеточные колонки, а из базальной - три. Некоторые черепные нервы берут начало из этих колонок или заканчиваются в них. В этих колонках локализуются ядра языкоглоточного нерва, ядро одиночного пути, одно из ядер тройничного нерва, ядро вестибулокохлеарного нерва. Два ядра тройничного нерва закладываются изначально в продолговатом мозге, затем, вторично, перемещаются в задний мозг. По данным ряда исследователей, в продолговатом мозге закладывается большая часть ядер черепных нервов, которые затем мигрируют в другие отделы нервной системы, в частности в задний мозг.
Закладка ядер черепных нервов в развивающемся продолговатом мозге, по-видимому, и объясняет тот факт, что к середине внутриутробного развития этот отдел содержит очень большое число клеток. В процессе его дальнейшего развития количество клеток в нем уменьшается, в то время как размер и объем клеток увеличиваются.
У новорожденного в продолговатом мозге продолжается процесс уменьшения клеточных масс, о чем можно судить по сокращению количества нейронов на единицу площади. Вместе с тем продолжает нарастать масса нейрона и увеличиваться степень дифференцировки. У полуторагодовалого ребенка клетки продолговатого мозга организованы в четко определяемые ядра и имеют почти все признаки дифференцировки. У ребенка 7 лет нейроны продолговатого мозга неотличимы от нейронов взрослого даже по тонким морфологическим признакам.
Б. Задний мозг (metencephalon). Анатомически задний мозг делится на три части: 1) центрально расположенную ядросодержащую часть, которая служит прямым продолжением продолговатого мозга; 2) мозжечок и 3) мост.
Мозжечок частично развивается из клеток крыловидной пластинки заднего мозга, которые мигрируют в дорсальном направлении в период, когда начинает формироваться мозговой изгиб. Тело мозжечка, представляющее у человека самый крупный отдел этого органа, развивается из отделов крыловидной пластинки, расположенных в верхних участках заднего мозга. Клетки этих отделов мигрируют в дорсальном и медиальном направлениях и, сливаясь, образуют червь мозжечка, располагающийся по средней линии. Вслед за этим на каждой стороне червя появляются выросты, формирующие передние и задние доли полушарий мозжечка. Первые борозды мозжечка возникают в переднем отделе червя, и лишь затем процесс формирования борозд медленно распространяется в латеральных направлениях по всей поверхности органа.
В конце 2-го месяца развития в центральной части крыловидной пластинки образуются нижние ножки мозжечка (веревчатые тела).
У новорожденного мозжечок, будучи заметно вытянут в длину, лежит в черепной коробке выше, чем у взрослого. Борозды относительно неглубокие, слабо обрисовано древо жизни. С ростом ребенка борозды становятся глубже. До 3-месячного возраста в коре мозжечка сохраняется зародышевый слой.
У ребенка сразу после рождения можно видеть наружный зернистый слой и процессы миграции клеток-зерен. Есть наблюдения, что некоторые клетки Пуркинье у человека возникают в результате деления клеток наружного зернистого слоя. К концу 3-го месяца внутриутробного развития эти клетки мигрируют в направлении внутреннего зернистого слоя и занимают промежуточное положение. Именно они в дальнейшем становятся грушевидными клетками коры мозжечка. Первые клетки Пуркинье появляются в черве мозжечка человека уже на 4-м месяце внутриутробного развития.
Следует подчеркнуть, что формирование борозд в развивающемся мозжечке человека идет параллельно или вслед за дифференцировкой клеток Пуркинье.
В возрасте от 3 мес до одного года происходит активная дифференцировка мозжечка. Она выражается прежде всего в нарастании объема и массы перикарионов грушевидных клеток, увеличении количества синапсов на них, увеличении диаметра волокон в белом веществе мозжечка, интенсивном росте молекулярного слоя коры.
Дифференцировка мозжечка - центрального органа равновесия и координации движений происходит и в более поздние сроки. Это связано с дальнейшим совершенствованием движений ребенка. Однако эти явления трудно улавливаются морфологическими методами, являясь, по-видимому, в значительной степени физиологическими.
В. Средний мозг (mesencephalon). Так же как и спинной, средний мозг имеет крыловидную и базальную пластинки. Из базальной пластинки развивается одно ядро глазодвигательного нерва, которое хорошо выражено уже к концу 3-го месяца внутриутробного периода. Крыловидная пластинка дает начало ядрам нижних и верхних бугорков четверохолмия, а также, возможно, части клеток красных ядер.
Во второй половине внутриутробного развития на вентральной поверхности среднего мозга появляются два крупных скопления волокон - основания ножек мозга.
Рост крыловидной и базальной пластинок среднего мозга кнаружи, особенно интенсивный во второй половине внутриутробного периода, сдавливает полость IV желудочка, сужая его до небольшого канала, именуемого водопроводом мозга.
Промежуточный мозг (diencephalon). Образуется промежуточный мозг из переднего мозгового пузыря, гистологически представляя собой массивное утолщение мантийного слоя, разросшегося до такой степени, что почти не остается краевой вуали. В результате неравномерной пролиферации клеточного материала промежуточного мозга в нем образуются закладки: таламуса -дорсально расположенная и гипоталамуса - вентрально расположенная. В передненижнем отделе промежуточного мозга формируются глазные бокалы.
3.1.4. Развитие конечного мозга

Конечный мозг (telencephalon) также развивается из переднего мозгового пузыря. Его стенка, соответствующая конечному мозгу, выпячивается в дорсолатеральном направлении и образует два мозговых пузыря, которые с течением времени преобразуются в полушария мозга. Полости этих пузырей образуют боковые желудочки полушарий.
Процесс цефализации, особенно присущий человеку, проявляется в бурном развитии конечного мозга. Пузыри конечного мозга, разрастаясь за короткий период времени, покрывают собой промежуточный мозг, затем средний мозг и мозжечок. Наружная часть стенки мозговых пузырей растет значительно быстрее внутренней.
В начале 2-го месяца развития стенка мозговых пузырей содержит большое количество мелких короткоотростчатых нейробластов - так называемый материнский слой коры. Среди этих клеточных элементов встречаются спонгиобласты, имеющие длинные тонкие отростки, направляющиеся к наружной поверхности мозгового пузыря.
Начиная с 3-го месяца внутриутробного развития гистологически становится отчетливой закладка коры: она представляет собой узкую ленту, состоящую из густо расположенных клеток. Дальнейшая дифференцировка идет двумя параллельными путями: путем образования слоев и путем дифференцировки клеточных элементов, которая заканчивается лишь в постнатальном периоде. Основным морфологическим проявлением дифференцировки нейронов в развивающейся коре больших полушарий является усложнение их отростков, в частности прогрессивный рост дендритов и боковых коллатералей аксонов. Иными словами, дифференцировка нейронов коры - это включение нейронов во все большее количество межнейронных связей.
К 3-му месяцу развития между пузырями образуется мозолистое тело. На 11-12-й неделе внутриутробного периода полушария мозга можно узнать по их форме.
С 5-го месяца в коре больших полушарий уже заметна цитоархитектоника. К середине 6-го месяца внутриутробного развития в тех участках коры, которые образуют филогенетически молодую кору (neocortex), видно более или менее четкое разделение на шесть слоев, обнаруживаются отличия в строении отдельных полей.
Существуют выраженные отличия в скорости дифференцировки каждого из слоев коры. Так, II и III слои коры становятся четко различимыми только после рождения. Морфологически раньше других дифференцируются гигантские пирамиды V слоя передней центральной извилины.
К моменту рождения большинство нейронов глубоких слоев коры достигают уже значительной степени зрелости, по форме тела и развитию отростков приближаясь к структуре этих слоев у взрослого. Значительная часть нейронов поверхностных слоев коры находится на более ранних этапах формирования.
К концу периода внутриутробного развития отчетливо выражена миелинизация волокон, особенно в более простых (филогенетически старых) системах мозга.
В это время происходят важные биохимические сдвиги в нервной ткани. Наиболее существенными из них являются изменения ряда ферментных систем, в результате которых осуществляется переход метаболизма мозга от анаэробного к аэробному. Следует отметить, что новорожденный ребенок, так же как и детеныши других млекопитающих, легче переживает относительно длительную гипоксию, чем взрослый.
У плодов и новорожденных нервные клетки в коре лежат сравнительно близко друг от друга, причем часть из них располагается и в белом веществе. По мере роста ребенка концентрация клеток в единице площади снижается, несмотря на то что в серое вещество мигрируют клетки из белого вещества.
Мозг новорожденного очень велик - более 10% от общей массы тела. К периоду полового созревания масса его составляет всего около 2% от массы тела, хотя, естественно, абсолютная масса мозга увеличивается с ростом ребенка.
Мозг новорожденного незрелый, причем кора полушарий большого мозга является наименее зрелым отделом всей нервной системы. Основные функции регулирования различных физиологических процессов выполняют промежуточный и средний мозг.
«Новорожденный от рождения не способен ни к чему, кроме способности всему научиться» (Л.О.Бадалян).
В глубокой неприспособленности ЦНС новорожденного заложены основы гибкой, дифференцированной адаптации к условиям среды, обучения. По-видимому, это прямо связано с самым большим по продолжительности в животном мире периодом детства у человека. Даже у высших обезьян детеныш 1,5-2 лет уже вполне способен к самостоятельному существованию и не нуждается в родительском уходе. После рождения масса мозга увеличивается в основном за счет роста тел нейронов, происходит дальнейшее формирование ядер головного мозга. Их форма меняется мало, однако размеры и состав их, а также топография относительно друг друга претерпевают достаточно демонстративные изменения.
Процессы развития коры заключаются, с одной стороны, в образовании ее шести слоев, а с другой - в дифференциации нервных клеток, характерных для каждого коркового слоя. К моменту рождения у ребенка уже заканчивается образование шестислойной коры. В то же время дифференцировка нервных клеток отдельных слоев к этому времени еще далеко не завершается. Наиболее интенсивно дифференциация клеточных элементов, а также миелинизация аксонов нервных клеток коры идет в постнатальном периоде - в течение 1-го и 2-го годов жизни ребенка. В этот период резко увеличиваются масса и поверхность коры полушарий большого мозга.
К 2-летнему возрасту заканчивают свое формирование пирамидные клетки коры.
Можно признать достаточно обоснованным тот факт, что именно первые 2—3 года жизни являются наиболее ответственными этапами морфологического и функционального становления мозга ребенка. На 1-м году жизни закладываются основы психической деятельности, идет подготовка к самостоятельному хождению, речевой деятельности. Существует мнение, что в этот период происходит «первичное обучение», т. е. формирование нейронных ансамблей, которые в дальнейшем служат фундаментом для более сложных форм обучения.
В последующие годы темп развития корковых структур хотя и замедляется, но к 4-7 годам клетки большинства областей коры становятся близкими по строению клеткам коры взрослого человека. Полностью развитие клеточных структур коры полушарий большого мозга заканчивается только к 10-12 годам. Морфологическое созревание отдельных областей коры, связанных с деятельностью различных анализаторов, идет неодновременно. Раньше других приближаются к строению мозга взрослого человека корковые концы обонятельного анализатора, представленного в древней, старой и межуточной коре. В новой коре прежде всего развиваются корковые концы двигательного и кожного анализаторов, а также лимбическая область, связанная с интерорецепторами, и инсулярная область, имеющая отношение к обонятельной и речедвигательной функциям. Затем дифференцируются корковые концы слухового и зрительного анализаторов и верхняя теменная область, связанная с кожным анализатором. Наконец, в последнюю очередь достигают полной зрелости структуры лобной и нижней теменной областей и височно-теменно-затылочной подобласти. Особенности структурного развития отдельных корковых отделов анализаторов определяют до некоторой степени последовательность появления условно-рефлекторных реакций ребенка.
Как было отмечено, процесс миелинизации нервных проводников начинается еще в эмбриогенезе. Однако темп образования миелиновых оболочек у разных нервных стволов различен, в результате чего к моменту рождения часть нервных проводников как центральной, так и периферической нервной системы не заканчивает миелинизацию. В этой связи следует помнить, что миелинизация черепных нервов осуществляется в течение первых 3-4 мес и заканчивается к 1 году - 1 г 3 мес постнатальной жизни. Миелинизация спинальных нервов завершается несколько позднее - к 2-3 годам.
Существуют, по-видимому, еще две закономерности, характерные для процесса миелинизации. Одна из них заключается в том, что филогенетически более древние пути начинают миелинизацию несколько раньше, чем молодые. Именно этим, скорее всего, объясняется тот факт, что первым миелинизирующимся (еще в эмбриогенезе) проводником у человека является вестибулярный нерв.
Вместе с тем четко установлено, что нервные проводники тех функциональных систем, которые обеспечивают выполнение жизненно важных функций (например, акт сосания), также миелинизируются опережающими темпами. Это составляет вторую закономерность, установленную в онтогенезе процесса миелинизации.
Масса головного мозга новорожденного имеет относительно большую величину и в среднем составляет 1/8 массы тела, т.е. около 400 г, причем у мальчиков она несколько больше, чем у девочек. У новорожденного хорошо выражены длинные борозды, крупные извилины, но глубина и высота их невелики. Мелких борозд и извилин относительно мало; они появляются постепенно в течение первых лет жизни. К 9-месячному возрасту первоначальная масса мозга удваивается и к концу 1-го года жизни составляет 1/11-1/12 массы тела. К 3 годам масса головного мозга по сравнению с массой его при рождении утраивается, к 5 годам составляет 1/13-1/14 массы тела, к 20 годам первоначальная масса мозга увеличивается в 4-5 раз и составляет у взрослого человека всего 1/40 массы тела. Наряду с ростом головного мозга меняются и пропорции черепа. Боковые желудочки сравнительно широкие. Мозолистое тело тонкое и короткое, в течение первых 5 лет оно становится толще и длиннее, достигая к 20 годам окончательных размеров.
Следует отметить особенности созревания отдельных областей коры большого мозга.
Соматосенсорная область (поля 1, 2, 3). В процессе онтогенеза изменяется пространственная организация клеточных элементов соматосенсорной области, отмечается постепенное разрежение ее структурных элементов.
В период от рождения до 20 лет в полях соматосенсорной зоны пирамидные, звездчатые и веретеновидные нейроны претерпевают значительные изменения: увеличиваются их размеры, особенно в первые 7 лет жизни, меняются форма, характер ветвления дендритов. С возрастом в полях 1, 2 и 3 увеличивается относительное количество пирамидных нейронов за счет уменьшения числа переходных форм.
Зрительная область. В этой области первичная зона, воспринимающая световые раздражения, находится в поле 17. Вторичная воспринимающая зона, обеспечивающая зрительное опознавание и память, - это поля 18 и 19.
Рост коры в ширину в полях 17 и 18 происходит до 3, а в поле 19 - до 7 лет. Наибольшая скорость роста коры в ширину после рождения наблюдается в поле 19. После 8 лет ширина коры в изучаемых полях относительно стабилизирована.
Дифференцировка клеточных элементов зрительной коры происходит наиболее интенсивно в полях 17 и 18 в период от рождения до 1-го года, в поле 19 - до 2 лет. К 5-7 годам пирамидные и звездчатые нейроны III и IV слоев зрительной коры приобретают специфическую форму, характерную для коры взрослых людей.
Задняя ассоциативная область. Особенностью развития этой области является то, что ее поля наиболее поздно достигают полной дифференцировки.
Процессы дифференцировки нейронов: типизация формы, увеличение размеров, усложнение дендритного аппарата - осуществляются в V-VII слоях в более ранние сроки, чем в III-IV слоях, так что к 12 мес нейроны V слоя во всех полях оказываются более дифференцированными, чем в III слое, где интенсивная дифференцировка нейронов продолжается до 5-6 лет. Размеры нервных клеток всех типов наиболее энергично увеличиваются в первые 2 года. К 7 годам в подслое III становится более четкой форма пирамидных нейронов. Они как бы вытягиваются, их высота превышает основание в 1,5 раза и более.
В период от 8 до 12 лет увеличиваются протяженность и толщина апикальных дендритов пирамидных нейронов, рисунок их ветвления становится все более разнообразным, чаще встречаются пирамидные нейроны с разделенными апикальными дендритами.
Лобная область. Она, как и задняя ассоциативная область, созревает поздно. У новорожденных во всех полях нейроны относятся к одному размерному классу, к 6 мес - к двум, к 12 мес - к трем, в поле 45 - к четырем размерным классам. После 1-го года наиболее значительно увеличивается число размерных классов в поле 8: к 5 годам их насчитывается 8, к 10-9, и в дальнейшем число их не возрастает. В поле 10 к 5 годам пирамидные нейроны относятся к 5 размерным классам, к 7 годам - к 6, к 16 - к 7, к 21 году - к 8; в поле 45 к 8 годам отмечается 5 размерных классов, к 9-6, к 18 годам - 8 размерных классов.
Установленные сроки интенсивного роста пирамидных нейронов в речедвигательном поле 45 (к 6 мес, 1 году и 5-6 годам) совпадают с периодами развития артикуляционных возможностей и активной речи ребенка.
Непирамидные нейроны в коре лобной области новорожденных слабо дифференцированны. Они характеризуются малыми размерами, неопределенностью формы, слабым развитием дендритных и аксонных аппаратов.
Созревание нейронов этой области происходит в 1 год, 3 года, 5-6 лет, 9-10, 12-14 и 18-20 лет. Это наиболее значимые этапы микроструктурных изменений ансамблевой организации лобной области коры большого мозга. Более продолжительное по сравнению с другими неокортикальными формациями развитие структуры лобной области коры, включающейся в реализацию как сенсорных, так и моторных актов, участвующей в осуществлении сложных психофизиологических церебральных функций, может рассматриваться как структурная основа длительного совершенствования в постнатальном онтогенезе целостной интегративной деятельности мозга человека.
Таким образом, в период от рождения до 20 лет структурные преобразования нейронных ансамблей осуществляются в различных областях коры по единому принципу, но в различные сроки и с разным качественным и количественным представительством каждого из структурных компонентов.
Параллельно морфологическому развитию нервной системы происходят функциональное созревание ее и соответствующие биохимические изменения.
Так, в спинном мозге, стволе и гипоталамусе у новорожденных обнаруживают ацетилхолин, г-аминомасляную кислоту, серотонин, норадреналин, дофамин, однако содержание медиаторов низкое и составляет 10-50% от такового у взрослых. В постсинаптических мембранах нейронов уже к моменту рождения появляются специфические для перечисленных медиаторов рецепторы.
Созревание структур ЦНС усиливается гормонами щитовидной железы. Стимулирующая роль в ходе созревания и функционального становления ЦНС отводится афферентным потокам импульсов, поступающих в структуры мозга при действии внешних раздражителей.
Электрофизиологические характеристики нейронов имеют ряд особенностей. В частности, у нейронов новорожденных несколько ниже ПП - около 50 мВ (у взрослых - 60-80 мВ). Поверхность тела нейронов и дендритов, покрытая синапсами, во много раз меньше, чем у взрослых. Возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) имеют большую длительность, чем у взрослых, более продолжительной является синаптическая задержка, нейроны оказываются менее возбудимыми. Не столь эффективны процессы постсинаптического торможения нейронов вследствие малой амплитуды тормозных постсинаптических потенциалов (ТПСП), а также меньшего числа тормозных, синапсов на нейронах.
Вследствие морфологической и функциональной незрелости структур ЦНС, недостаточности элементарных механизмов возбуждения и торможения в раннем онтогенезе оказываются несовершенными многие проявления двигательной активности.
Улучшает электрофизиологические показатели миелинизация нервных волокон ЦНС (она завершается в возрасте 8-9 лет), так как уменьшается проницаемость клеточных мембран, совершенствуются ионные каналы, увеличивается мембранный ПП и поэтому возрастает ПД, повышается возбудимость нейронов. По электрофизиологическим показателям нейроны ЦНС детей приближаются к таковым взрослых в возрасте 8-9 лет.
3.2. ОТКРЫТИЕ «ЖИВОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА» И ЕГО СУЩНОСТЬ

В конце XVIII в. профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным исследованиям биоэлектрических явлений. В первом опыте, подвешивая препарат обнаженных задних лапок лягушек с помощью медного крючка на железной решетке, Гальвани обнаружил, что всякий раз при касании мышцами решетки они отчетливо сокращались. Гальвани высказал предположение, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого выступают «животные ткани» - мышцы и нервы. Однако другой итальянский исследователь - физик и физиолог Вольта оспорил это заключение. По его мнению, причиной сокращения мышц явился электрический ток, возникающий в области контакта двух разнородных металлов (меди и железа - гальваническая пара) с тканями лягушки. Для проверки своей гипотезы Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышечного препарата набрасывали на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участков. В этом случае мышца также сокращалась, что является доказательством «животного электричества».
Впервые регистрация биоэлектрических явлений была осуществлена с помощью гальванометра, одну из клемм которого присоединяли к поврежденному участку мышцы, другую - к неповрежденному (Маттеучи, 1838). При этом стрелка гальванометра отклонялась. Размыкание цепи гальванометра сопровождалось возвращением стрелки в прежнее - нулевое - положение. В настоящее время существует много различных вариантов регистрации биоэлектрических явлений, но их можно объединить в две основные группы: по местоположению электродов (внутриклеточное и внеклеточное отведение) и по числу отводящих электродов (монополярное, биполярное, мультиполярное отведения). Электроды могут быть металлическими и стеклянными. В случае монополярного отведения один электрод активный, второй - индифферентный, его площадь в десятки раз больше, чем площадь активного электрода. При внутриклеточном отведении применяется стеклянный микроэлектрод, который представляет собой микропипетку с диаметром кончика 0,5-1,0 мкм. Микроэлектрод заполняют 3М КС1. В широкую часть его вставляют серебряную проволочку, которую соединяют с регистрирующим устройством. Индифферентным внеклеточным электродом является хлорированная серебряная пластинка. При внутриклеточном отведении клетка способна функционировать в течение нескольких часов. Микроэлектродный способ регистрации биопотенциалов обеспечил изучение механизмов формирования электрических зарядов клеткой, возникновения возбуждения в живых клетках. Однако еще задолго до появления микроэлектродной техники (конец XIX в.) стало ясно, что «животное электричество» обусловлено процессами, происходящими на клеточной мембране (Герман, Дюбуа-Реймон, Бернштейн). В настоящее время достаточно хорошо изучены механизмы формирования мембранного потенциала покоя и мембранного потенциала действия, т.е. процесса возбуждения клетки.
Сущность процесса возбуждения заключается в следующем.
Все клетки организма имеют электрический заряд, обеспечиваемый неодинаковой концентрацией анионов и катионов вне и внутри клетки. При действии раздражителя на клетку возбудимой ткани изменяется проницаемость ее мембраны, вследствие чего ионы быстро перемещаются согласно электрохимическому градиенту (совокупность концентрационного и электрического градиентов), - это и есть процесс возбуждения. Его основой является потенциал покоя.
3.3. МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ
3.3.1. Общая характеристика и непосредственная причина формирования

Потенциал покоя (ПП) - разность электрических потенциалов между наружной и внутренней сторонами клеточной мембраны. Его
величина в нервных клетках составляет 60-80 мВ. При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микроэлектродом скачком отклоняется и показывает отрицательный заряд внутри клетки (рис. 3.1).
ПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самого нейрона и организма в целом. В частности, он составляет основу для переработки информации в нервной клетке, обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце. Согласно мембранно-ионной теории (Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц), непосредственной причиной формирования ПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Концентрация ионов в аксоплазме гигантского аксона кальмара и в экстрацеллюлярной среде в миллимолях на 1 л
Ионы
Концентрация


внутри клетки
снаружи клетки
K+
Na+
Сl-
Са2+
А-
400
50
40
0,4
25
20
440
550
1,2
25


Рис. 3.1. Потенциал покоя возбудимой клетки (а) и схема
опыта его регистрации (б). 1 - клетка; 2 - микроэлектрод;
3 - регистратор

В нейронах концентрация ионов К+ внутри клетки в 20-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация ионов Na+ вне клетки в 10-12 раз больше, чем в клетке. Ионов Сl- вне клетки в 10-20 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется небольшое количество ионов Mg2+. Ион Са2+ в клетке находится в основном в связанном состоянии с АТФ, цитратом, глутаматом. Резервуаром для ионов Са2+ является эндоплазматический ретикулум. В свободном состоянии кальций находится в основном вне клетки; в гиалоплазме его очень мало. Это обусловлено отчасти активным транспортом ионов Са2+ наружу через клеточную мембрану, отчасти поглощением его эндоплазматическим ретикулумом и другими органеллами, например митохондриями. В клетке находятся также крупномолекулярные анионы, главным образом это отрицательно заряженные белковые молекулы, например глутамат, аспартат, а также органические фосфаты. Различные ионы распределены неравномерно по обе стороны клеточной мембраны, во-первых, вследствие неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для различных ионов, во-вторых, в результате работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки концентрационному и электрическому градиентам. По поводу определения «проницаемость» и «проводимость» единого мнения пока не сложилось.
3.3.2. Роль проницаемости клеточной мембраны и ее поверхностных зарядов

А. Терминология. В настоящее время различные авторы по-разному трактуют термины «проницаемость» и «проводимость». Под проницаемостью клеточной мембраны мы понимаем ее способность пропускать воду и частицы - заряженные (ионы) и незаряженные согласно законам диффузии и фильтрации. Проницаемость клеточной мембраны определяется следующими факторами:
1) наличием в составе мембраны различных ионных каналов -управляемых (с воротным механизмом) и неуправляемых (каналы утечки); 2) размерами каналов и размерами частиц; 3) растворимостью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для растворимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).
Термин «проводимость» следует использовать только применительно к заряженным частицам. Следовательно, под проводимостью мы понимаем способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембрану согласно электрохимическому градиенту (совокупность электрического и концентрационного градиентов).
Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, переходят через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. При большом градиенте концентрации и хорошей проницаемости мембраны, разделяющей соответствующие растворы, проводимость ионов может быть высокая, при этом наблюдается односторонний ток ионов. Когда концентрация ионов по обе стороны мембраны уравняется, проводимость ионов уменьшится, односторонний ток ионов прекратится, хотя проницаемость сохранится прежней - высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, т.е. важную роль в проводимости иона играет его электрический заряд. Возможна ситуация, когда при хорошей проницаемости мембраны проводимость ионов через мембрану оказывается низкой или нулевой, - в случае отсутствия движущей силы (концентрационного и /или электрического градиентов).
Таким образом, проводимость иона зависит от его электрохимического градиента и от проницаемости мембраны: чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембрану. Перемещения ионов в клетку и из клетки согласно концентрационному и электрическому градиентам в состоянии покоя клетки осуществляются преимущественно через неуправляемые (без воротного механизма) каналы (каналы утечки). Неуправляемые каналы всегда открыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее возбуждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калиевые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние пропускают различные ионы: К+, Na+, C1-.
Б. Роль проницаемости клеточной мембраны и различных ионов в формировании ПП (рис. 3.2.). Сосуд разделен полупроницаемой мембраной. Обе его половины заполнены раствором K2SО4 различной концентрации (C1 и C2), причем C1 < С2. Мембрана проницаема для иона К+ и непроницаема для SО42. Ионы К+ перемещаются согласно концентрационному градиенту из раствора С2 в раствор С1. Поскольку ионы SО42 не могут пройти в раствор С1, где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется и между двумя ее поверхностями возникает разность электрических потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу (Ек).


Рис. 3.2. Модельный опыт, иллюстрирующий роль избирательной проницаемости мембраны для ионов К+ (+) и S04 (-) в формировании ПП. 1,2 - электроды; 3 - регистратор;
С - концентрация

Ионы Na+ и К+ в живой клетке, находящейся в состоянии покоя, также перемещаются через мембрану согласно законам диффузии, при этом К+ из клетки выходит в значительно большем количестве, чем входит Na+ в клетку, поскольку проницаемость клеточной мембраны для К+ примерно в 25 раз больше проницаемости для Na+.
Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выходить из клетки, поэтому внутри клетки в состоянии покоя отрицательных ионов оказывается больше, чем положительных. По этой причине клетка изнутри имеет отрицательный заряд. Интересно, что во всех точках клетки отрицательный заряд практически одинаков. Об этом свидетельствует одинаковая величина ПП при введении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Заряд внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анионов, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны.
Калий является главным ионом, обеспечивающим формирование ПП. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации ионов К+ в перфузате ПП снижается, при увеличении их концентрации ПП повышается. В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К+. Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному градиенту К+ стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внутри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К+ сравнивается с числом входящих ионов К+ в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал.
Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного иона, находящегося снаружи, в формуле Нернста записывается в числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе. Для отрицательно заряженных ионов расположение противоположное.

где Eion - потенциал, создаваемый данным ионом; R - газовая постоянная (8,31 Дм); Т - абсолютная температура (273+37°С); Z -валентность иона; F - постоянная Фарадея (9,65 х 104); [ion] i - концентрация иона внутри клетки inside; [ion] o - концентрация иона во внешней среде клетки outside. Равновесный потенциал иона Na+ у нервных клеток ENa = +55 мВ, иона калия Е Ek = -70 мВ.
Вклад Na+ и Cl- в создание ПП. Проницаемость клеточной мембраны в покое для иона Na+ очень низкая, намного ниже, чем для иона К+, тем не менее она имеется, поэтому ионы Na+ согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к уменьшению ПП, так как на внешней поверхности - клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Na+. Вход иона Na+ внутрь клетки снижает ПП. Влияние Cl- на величину ПП противоположно и зависит от проницаемости клеточной мембраны для ионов Cl-. Дело в том, что ион Cl-, согласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Препятствует входу иона Cl- в клетку электрический градиент, поскольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд Cl-. Наступает равновесие сил концентрационного градиента, способствующего входу иона Cl- в клетку, и электрического градиента, препятствующего входу иона Cl- в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов Cl- значительно меньше внеклеточной. При поступлении иона Cl- внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: ион Cl- добавляется к крупным, белковой природы анионам, находящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки - в интерстиций. Таким образом, ион Cl-, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, ионы Na+ и Cl- внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого совместное поступление ионов Na+ и Cl- внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.
В. Определенную роль в формировании ПП играют поверхностные заряды самой клеточной мембраны и ионы Са2+ Наружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрицательным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембраны: гликолипиды, фосфюлипиды, гликопротеиды. Фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя положительные заряды внешней поверхности мембраны, снижают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды клеточной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП.
Роль ионов Са2+ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки и нейтрализуют их, что ведет к увеличению и стабилизации ПП.
Таким образом, ПП - это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных зарядов самой мембраны.
При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают равным нулю. Относительно нулевого потенциала внешней среды потенциал внутренней среды нейрона, как отмечалось, составляет величину порядка -60-80 мВ. Повреждение клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для ионов К+ и Na+ уменьшается, ПП при этом снижается. Подобные изменения встречаются при ишемии ткани. У сильно поврежденных клеток ПП может снизиться до уровня донанновского равновесия, когда концентрация внутри и вне клетки будет определяться только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в состоянии покоя клетки, что может привести к нарушению электрической активности нейронов. Однако и в норме происходит перемещение ионов согласно электрохимическому градиенту, однако ПП не нарушается.
3.3.3. Роль ионных насосов в формировании ПП
В результате непрерывного перемещения различных ионов через клеточную мембрану их концентрация внутри и вне клетки постепенно должна выравниваться. Однако, несмотря на постоянную диффузию ионов (утечка ионов), ПП клеток остается на одном уровне. Следовательно, кроме собственно ионных механизмов формирования ПП, связанных с различной проницаемостью клеточной мембраны и диффузией ионов, имеется активный механизм поддержания градиентов концентрации различных ионов внутри и вне клетки. Таким механизмом являются ионные насосы, в частности Na/K-насос (помпа).
Ионный насос - это транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки концентрационному и электрическому градиентам (см. раздел 2.6.2). Если заблокировать освобождение энергии, например, динитрофенолом в течение 1 ч, то выведение ионов Na+из клетки сократится примерно в 100 раз. Как выяснилось, выведение ионов Na+ сопряжено с транспортом ионов К+, что можно продемонстрировать при удалении ионов К+из наружного раствора. Если ионов К+ на наружной стороне мембраны нет, то работа насоса блокируется, перенос ионов Na+ клетки в этом случае падает, составляя примерно 30% от нормального уровня. Сопряженность транспорта ионов Na+ и К+ уменьшает расход энергии примерно в 2 раза по сравнению с той, которая потребовалась бы при несопряженном транспорте. В целом траты энергии на активный транспорт веществ огромны: только Na/K- насос потребляет 1/3 всей энергии, расходуемой организмом в покое. За 1 с один Na/K-насос (одна молекула белка) переносит 150-600 ионов Na+ Накопление Na+ в клетке стимулирует работу Na/K-насоса, уменьшение Na+ в клетке снижает его активность, поскольку снижается вероятность контакта ионов с соответствующим переносчиком. В результате сопряженного транспорта ионов Na+ и К+ поддерживается постоянная разность концентраций этих ионов внутри и вне клетки. Одна молекула АТФ обеспечивает один цикл работы Na/K- насоса - перенос 3 ионов Na+ за пределы клетки и 2 ионов К+ внутрь клетки. Асимметричный перенос ионов Na/K- насосом поддерживает избыток положительно заряженных частиц на наружной поверхности клеточной мембраны и отрицательных зарядов внутри клетки, что позволяет считать Na/K-насос структурой электрогенной, дополнительно увеличивающей ПП примерно на 5-10 мВ. Данный факт свидетельствует о том, что решающим фактором в формировании ПП является селективная проницаемость клеточной мембраны для разных ионов. Если уравнять проницаемость клеточной мембраны для всех ионов, то ПП будет составлять только 5-10 мВ - за счет работы N/K-помпы.
Одновременно с выведением Na+ из клетки он диффундирует обратно в клетку. Однако мембрана малопроницаема для Na+ , поэтому диффузия в обратном направлении происходит очень медленно. Для К + мембрана клеток в покое более проницаема, соответственно К+ диффундирует наружу гораздо быстрее. Ионный насос поддерживает разность концентраций ионов Na+ и К + вне и внутри клетки.
Нормальная величина ПП является необходимым условием возникновения процесса возбуждения клетки, т.е. возникновения и распространения ПД, инициирующего специфическую деятельность клетки.
3.4. МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

А. Характеристика ПД. ПД - электрический процесс, выражающийся в быстром колебании мембранного потенциала вследствие перемещения ионов в клетку и из клетки и способный распространяться без затухания (без декремента). Он обеспечивает передачу сигналов между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами, в мышцах - процесс электромеханического сопряжения (рис. 3.3, и).
Величина ПД нейрона колеблется в пределах 80-110 мВ, длительность пика ПД нервного волокна составляет 0,5-1 мс. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силовых отношений - закону силы. ПД либо совсем не возникает на раздражение клетки, если оно мало, либо он максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым. Следует отметить, что слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потенциал. Он подчиняется закону силы: с увеличением силы стимула величина его возрастает (подробнее см. раздел 3.6). В составе ПД различают три фазы: 1 фаза - деполяризация, т.е. исчезновение заряда клетки - уменьшение мембранного потенциала до нуля; 2 фаза - инверсия, изменение заряда клетки на обратный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя - отрицательно (от лат. inversio - переворачивание); 3 фаза - реполяризация, восстановление исходного заряда клетки, когда внутренняя поверхность клеточной мембраны снова заряжается отрицательно, а наружная - положительно.
Б. Механизм возникновения ПД. Если действие раздражителя на клеточную мембрану приводит к возникновению ПД, далее сам процесс развития ПД вызывают фазовые изменения проницаемости клеточной мембраны, что обеспечивает быстрое движение иона Na+ в клетку, а иона К + - из клетки. Величина мембранного потенциала при этом сначала уменьшается, а затем снова восстанавливается до исходного уровня. На экране осциллографа отмеченные изменения мембранного потенциала предстают в виде пикового потенциала - ПД. Он возникает вследствие накопленных и поддерживаемых ионными насосами градиентов концентраций ионов внутри и вне клетки, т.е. за счет потенциальной энергии в виде электрохимических градиентов разных ионов. Если заблокировать процесс выработки энергии, то ПД некоторый период времени будут возникать, но после исчезновения градиентов концентраций ионов (устранение потенциальной энергии) клетка генерировать ПД не будет. Рассмотрим фазы ПД.
Существует много различных названий фаз ПД (единого мнения не сложилось): I) местное возбуждение — пик ПД - следовые потенциалы; 2) фаза нарастания - фаза спада - следовые потенциалы; 3) деполяризация - овершут (перехлест, превышение, перелет), причем эта фаза в свою очередь делится на две части: восходящая (инверсия, от лат. inversio - переворачивание) и нисходящая (реверсия, от лат. reversio - возврат) — реполяризация. Имеются и другие названия. Отметим одно противоречие: термины «реполяризация» и «реверсия» по смыслу одинаковы - возврат к предыдущему состоянию, но эти состояния различны: в одном случае заряд исчезает (реверсия), в другом -восстанавливается (реполяризация). Наиболее корректны те названия фаз ПД, в которых заложена общая идея, например изменение заряда клетки. В этой связи обоснованно использовать следующие названия фаз ПД: I) фаза деполяризации - процесс исчезновения заряда клетки до нуля; 2) фаза инверсии - изменение заряда клетки на противоположный, т. е. весь период ПД, когда внутри клетки заряд положительный, а снаружи - отрицательный; 3) фаза реполяризации - восстановление заряда клетки до исходной величины (возврат к потенциалу покоя).


Рис. 3.3. Схема, отражающая процесс возбуждения.
б - потенциал действия, его фазы: 1 - деполяризация, 2 - инверсия (овершут), 3 - реполяризация, 4 - следовая гиперполяризация; б - натриевые ворота;
(h-1 - в состоянии покоя клетки); в - калиевые ворота (1 - в состоянии покоя клетки). Знаки плюс (+) и минус (-) - знаки заряда внутри и вне клетки в различные фазы ПД. (См. пояснения в тексте.)

1. Фаза деполяризации (см. рис. 3.3, а, 1). При действии деполяризующего раздражителя на клетку (медиатор, электрический ток) вначале уменьшение мембранного потенциала (частичная деполяризация) происходит без изменения проницаемости мембраны для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины (порогового потенциала), возрастает проницаемость ее мембраны для иона Na+, причем в первый момент сравнительно медленно. Естественно, что скорость входа ионов Na+ в клетку при этом невелика. В этот период, как и во время всей фазы деполяризации, движущей силой, обеспечивающей вход иона Na+ в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Напомним, что клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются друг к другу), а концентрация ионов Na+ вне клетки в 10-12 раз больше, чем внутри клетки. При возбуждении нейрона повышается проницаемость его мембраны и для ионов Са+, но его ток в клетку значительно меньше, чем ионов Na+. Условием, обеспечивающим вход иона Na+ в клетку и последующий выход иона К+ из клетки, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного механизма ионных Na- и К-каналов. Длительность пребывания электроуправляемого канала в открытом состоянии носит вероятностный характер и зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ток ионов в любой момент определяется числом открытых каналов клеточной мембраны. Воротный механизм Na-каналов расположен на внешней стороне клеточной мембраны (Na+ движется внутрь клетки), воротный механизм К-каналов - на внутренней (К+ движется из клетки наружу).
Активация Na- и К-каналов (открытие ворот) обеспечивается уменьшением мембранного потенциала. Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Екр, критический уровень деполяризации - КУД), которая обычно составляет -50 мВ (возможны и другие величины), проницаемость мембраны для ионов Na+ резко возрастает - открывается большое число потенциалзависимых ворот Na-каналов и ионы Na+ лавиной устремляются в клетку. В результате интенсивного тока ионов Na+ внутрь клетки далее процесс деполяризации проходит очень быстро. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, естественно, проводимости ионов Na+ - открываются все новые и новые активационные т-ворота Na-каналов, что придает току ионов Na+ в клетку характер регенеративного процесса. В итоге ПП исчезает, становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается.
2. Фаза инверсии. После исчезновения ПП вход Na+ в клетку продолжается (т - ворота Na-каналов еще открыты - h-2), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит число отрицательных, заряд внутри клетки становится положительным, снаружи - отрицательным. Процесс перезарядки мембраны представляет собой 2-ю фазу ПД - фазу инверсии (см. рис. 3.3, а, 2). Теперь электрический градиент препятствует входу Na+ внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются друг от друга), проводимость Na+снижается. Тем не менее некоторый период (доли миллисекунды) ионы Na+ продолжают входить в клетку, об этом свидетельствует продолжающееся нарастание ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение ионов Na+ в клетку, сильнее электрического, препятствующего входу ионов Na+ в клетку. Во время деполяризации мембраны увеличивается проницаемость ее и для ионов Са2+, они также идут в клетку, но в нервных клетках роль ионов Са2+ в развитии ПД мала. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД обеспечивается в основном входом ионов Na+ в клетку.
Примерно через 0,5-1 мс после начала деполяризации рост ПД прекращается вследствие закрытия ворот Na-каналов (h-3) и открытия ворот К-каналов (в, 2), т.е. увеличения проницаемости для ионов К+. Поскольку ионы К+ находятся преимущественно внутри клетки, они, согласно концентрационному градиенту, быстро выходят из клетки, вследствие чего в клетке уменьшается число положительно заряженных ионов. Заряд клетки начинает возвращаться к исходному уровню. В фазу инверсии выходу ионов К+ из клетки способствует также электрический градиент. Ионы К+ выталкиваются положительным зарядом из клетки и притягиваются отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки - до конца фазы инверсии (см. рис. 3.3, а - пунктирная линия), когда начинается следующая фаза ПД - фаза реполяризации. Калий выходит из клетки не только по управляемым каналам, ворота которых открыты, но и по неуправляемым каналам утечки.
Амплитуда ПД складывается из величины ПП (мембранный потенциал покоящейся клетки) и величины фазы инверсии — около 20 мв. Если мембранный потенциал в состоянии покоя клетки мал, то амплитуда ПД этой клетки будет небольшой.
3. Фаза реполяризации. В этой фазе проницаемость клеточной мембраны для ионов К+ все еще высока, ионы К+ продолжают быстро выходить из клетки согласно концентрационному градиенту. Клетка снова внутри имеет отрицательный заряд, а снаружи - положительный (см. рис. 3.3, я, 3), поэтому электрический градиент препятствует выходу К+ из клетки, что снижает его проводимость, хотя он продолжает выходить. Это объясняется тем, что действие концентрационного градиента выражено значительно сильнее действия электрического градиента. Таким образом, вся нисходящая часть пика ПД обусловлена выходом иона К+ из клетки. Нередко в конце ПД наблюдается замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточной мембраны для ионов К+ и замедлением выхода их из клетки вследствие закрытия ворот К-каналов. Другая причина замедления тока ионов К+ связана с возрастанием положительного потенциала наружной поверхности клетки и формированием противоположно направленного электрического градиента.
Главную роль в возникновении ПД играет ион Na+ , входящий в клетку при повышении проницаемости клеточной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. При замене иона Na+ в среде на другой ион, например холин, или в случае блокировки Na-каналов тетродотоксином, ПД в нервной клетке не возникает. Однако проницаемость мембраны для иона К+ тоже играет важную роль. Если повышение проницаемости для иона К+ предотвратить тетраэтиламмонием, то мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет медленных неуправляемых каналов (каналы утечки ионов), через которые К+ будет выходить из клетки.
Роль ионов Са2+ в возникновении ПД в нервных клетках незначительна, в некоторых нейронах она существенна, например в дендритах клеток Пуркинье мозжечка.
В. Следовые явления в процессе возбуждения клетки. Эти явления выражаются в гиперполяризации или частичкой деполяризации клетки после возвращения мембранного потенциала к исходной величине (рис. 3.4).
Следовая гиперполяризация клеточной мембраны обычно является следствием еще сохраняющейся повышенной проницаемости клеточной мембраны для К+. Ворота К-каналов еще не полностью закрыты, поэтому К+ продолжает выходить из клетки согласно концентрационному градиенту, что и ведет к гиперполяризации клеточной мембраны. Постепенно проницаемость клеточной мембраны возвращается к исходной (натриевые и калиевые ворота возвращаются в исходное состояние), а мембранный потенциал становится таким же, каким он был до возбуждения клетки. Ионные помпы непосредственно за фазы потенциала действия не отвечают, ионы перемещаются с огромной скоростью согласно концентрационному и частично электрическому градиентам.
Следовая деполяризация также характерна для нейронов. Механизм ее изучен недостаточно. Возможно, она обусловлена кратковременным повышением проницаемости клеточной мембраны для Na+ и входом его в клетку согласно концентрационному и электрическому градиентам.

Рис. 3.4. ПД двух клеток.
а - замедление фазы реполяризации; б - следовые явления: 1 - следовая гиперполяризация; 2 - следовая деполяризация

3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННЫХ ТОКОВ. ЗАПАС ИОНОВ В КЛЕТКЕ

ПД обусловлен циклическим процессом входа Na+ в клетку (восходящая часть пика) и последующим выходом К+ из клетки (нисходящая часть ПД), что является в свою очередь следствием активации и инактивации Na- и К-каналов.
Наиболее распространенный метод изучения функций ионных каналов - метод фиксации напряжения (voltage-clamp). Мембранный потенциал с помощью подачи электрического напряжения изменяют и фиксируют на определенном уровне, затем клеточную мембрану градуально деполяризуют, что ведет к открытию ионных каналов и возникновению ионного тока, который мог бы деполяризовать клетку. При этом пропускают электрический ток, равный по величине, но противоположный по знаку ионному току, поэтому трансмембранная разность потенциалов не изменяется. Это позволяет изучить величину ионного тока через мембрану. Применение различных блокаторов ионных каналов дает дополнительную возможность более глубоко изучить свойства каналов.
Количественное соотношение между ионными токами по отдельным каналам в покоящейся клетке и во время ПД и их кинетику можно выяснить с помощью метода локальной фиксации потенциала (patch-clamp). К мембране подводят микроэлектрод - присоску (внутри его создается разрежение) и, если на этом участке оказывается канал, исследуют ионный ток через него. В остальном методика подобна предыдущей. И в этом случае применяют специфические блокаторы каналов. В частности, при подаче на мембрану фиксированного деполяризующего потенциала было установлено, что через Na-каналы может проходить и ион К+, но его ток в 10-12 раз меньше, а через К-каналы может проходить ион Na+, его ток в 100 раз меньше, чем ток ионов К+.
Запас ионов в клетке, обеспечивающий возникновение возбуждения (ПД), огромен. Концентрационные градиенты ионов в результате одного цикла возбуждения практически не изменяются. Клетка может возбуждаться до 5 х 105 раз без подзарядки, т.е. без работы Na/K-насоса. Число импульсов, которое генерирует и проводит нервное волокно, зависит от его толщины, что определяет запас ионов. Чем толще нервное волокно, тем больше запас ионов, тем больше импульсов оно может генерировать (от нескольких сотен до миллиона) без участия Na/K-насоса. Однако в тонких волокнах на возникновение одного ПД расходуется около 1% концентрационных градиентов ионов Na+ и К+. Если заблокировать выработку энергии, то клетка будет еще многократно возбуждаться. В реальной действительности Na/K-насос постоянно переносит ионы Na+ из клетки, а ионы K+ возвращает в клетку, в результате чего поддерживается концентрационный градиент Na+ и К+ за счет непосредственного расхода энергии, источником которой является АТФ. Имеются данные, что увеличение внутриклеточной концентрации Na+ сопровождается повышением интенсивности работы Na/K-насоса. Это может быть связано исключительно с тем, что для переносчика становится доступно большее количество внутриклеточных ионов Na+.
3.6. ЛОКАЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ. ОЦЕНКА ПРОНИЦАЕМОСТИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ

А. Локальный потенциал. При раздражении возбудимой ткани не всегда возникает ПД. В частности, если сила раздражителя мала, то деполяризация не достигнет критического уровня, естественно, не возникнет импульсного распространяющего возбуждения. В этом случае ответ ткани на раздражение будет носить форму локального потенциала. Локальными потенциалами возбудимых клеток также являются: возбуждающий постсинаптический потенциал, рецепторные потенциалы, тормозный постсинаптический потенциал. Величина локальных потенциалов весьма вариабельна, она может достигать 10-30 мВ в зависимости от вида клеток. Свойства такого ответа существенно отличаются от импульсного (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Сравнительная характеристика локального потенциала и ПД
Свойство
Локальный потенциал
Потенциал действия
1
2
3
Распространение
Зависимость величины от силы стимула
Распространяется на небольшое расстояние (1-2 мм) с затуханием
Возрастает с увеличением силы стимула, т.е. подчиняется закону «силы»
Распространяется без затухания на большие расстояния по всей длине нервного волокна
Не зависит (подчиняется закону «все или ничего»)
Явление суммации



Суммируется - возрастает при повторных
частых подпороговых
раздражениях
Не суммируется



Амплитуда
10-30 мВ
80-110 мВ
Возбудимость ткани при
возникновении потенциала

Увеличивается



Уменьшается вплоть
до полной невозбудимости (рефрактерность)

Повышение возбудимости клетки во время локального потенциала объясняется тем, что клеточная мембрана оказывается частично деполяризованной. Если Екр остается на постоянном уровне, то для достижения критического уровня деполяризации во время локального потенциала нужен значительно меньшей силы раздражитель. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, потому что он возникает вследствие регенеративного процесса. Причина невозбудимости клетки при возникновении ПД рассматривается в разделе 3.7.

Рис. 3.5. Изменения проводимости ионов натрия (gNa) и калия (gK) через мембрану гигантского аксона кальмара (б) во время ПД (в) согласно расчетам

Б. Состояние проницаемости клеточной мембраны можно определить по скорости движения ионов в клетку или из клетки согласно концентрационному градиенту, т. е. по проводимости ионов Na+ и К+ (gNa и gK), но при условии, что влияние электрического градиента на движение ионов исключено или оно постоянное. Последнее условие выполняется с помощью методики фиксации напряжения (voltage-clamp) на постоянном уровне. Изменения проводимости ионов Na+ и К+ представлены на рис. 3.5.
Проницаемость клеточной мембраны для ионов С1- во время развития ПД не изменяется. Естественно, ион С1- в возникновении ПД участия не принимает.
3.7. ИЗМЕНЕНИЯ ВОЗБУДИМОСТИ КЛЕТКИ ВО ВРЕМЯ ЕЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ. ЛАБИЛЬНОСТЬ

А. Возбудимость клетки во время ее возбуждения быстро и сильно изменяется. Различают несколько фаз изменения возбудимости, каждая из которых строго соответствует определенной фазе ПД и, так же как и фазы ПД, определяется состоянием проницаемости клеточной мембраны для ионов. Схематично эти изменения представлены на рис. 3.6.б.
1. Кратковременное повышение возбудимости в начале развития ПД, когда уже возникла частичная деполяризация клеточной мембраны. Если деполяризация не достигает критической величины, то регистрируется локальный потенциал. В случае, если деполяризация достигает Екр, то развивается ПД. При замедленном развитии начальной деполяризации она оценивается как препотенциал. Возбудимость повышена потому, что клетка частично деполяризована, мембранный потенциал приближается к критическому уровню, поскольку открывается часть потенциалчувствительных быстрых Na-каналов. При этом достаточно небольшого увеличения силы раздражителя, чтобы деполяризация достигла Екр, при которой возникает ПД.
2. Абсолютная рефракторная фаза - это полная невозбудимость клетки (возбудимость равна нулю), она соответствует пику ПД и продолжается 1-2 мс; если ПД более продолжителен, то более продолжительна и абсолютная рефракторная фаза. Клетка в этот период при любой силе раздражения не отвечает. Невозбудимость клетки в фазу деполяризации и инверсии (в первую ее половину - восходящая часть пика ПД) объясняется тем, что потенциалзависимые т-ворота Na-каналов уже открыты и ионы Na+ быстро поступают в клетку по всем каналам. Те ворота Na-каналов, которые еще не успели открыться, открываются под влиянием деполяризации - уменьшения мембранного потенциала. Поэтому дополнительное раздражение клетки относительно движения ионов Na+ в клетку ничего изменить не может.


Рис. 3.6. Фазовые изменения возбудимости клетки (б) во время ПД (а). 1,4 - возбудимость повышена; 2 - абсолютная рефрактерная фаза;
3 - относительная рефрактерная фаза

Именно поэтому ПД либо совсем не возникает на раздражение, если оно мало, либо возникает максимальным, если оно достаточной силы (пороговой или сверхпороговой). В период нисходящей части фазы инверсии и реполяризации клетка невозбудима потому, что закрываются инактивационные h-ворота Na-каналов, в результате чего клеточная мембрана непроницаема для иона Na+ даже при сильном раздражении. Кроме того, в этот период открываются уже в большом количестве К-каналы, К+ быстро выходит из клетки, обеспечивая нисходящую часть фазы инверсии и реполяризацию. Абсолютная рефрактерная фаза в процессе реполяризации продолжается до момента, когда мембранный потенциал будет примерно на уровне Екр. В это время около половины Nа+ -каналов возвращается в исходное состояние, поэтому возможна их новая активация. Абсолютный рефракторный период ограничивает максимальную частоту генерации ПД. Если абсолютный рефракторный период завершается через 2 мс после начала ПД, то клетка может возбуждаться с частотой максимум 500 имп/с. Существуют клетки с еще более коротким рефракторным периодом, в которых возбуждение может в крайних случаях повторяться с частотой 1000 имп/с. Такие клетки встречаются в ретикулярной формации ЦНС.
3. Относительная рефракторная фаза - это период восстановления возбудимости, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение (см. рис. 3.6,6, кривая 3). Относительная рефрактерная фаза соответствует конечной части фазы реполяризации от уровня Екр ± 10 мВ и следовой, гиперполяризации клеточной мембраны, что является следствием все еще повышенной проницаемости для ионов К+ и избыточного выхода ионов К+-каналов из клетки. Поэтому, чтобы вызвать возбуждение в этот период, необходимо приложить более сильное раздражение, так как часть Nа+ - каналов в конце реполяризации находится еще в состоянии инактивации, а выход ионов К+ из клетки препятствует ее деполяризации. Кроме того, в период следовой гиперполяризации мембранный потенциал больше и, естественно, дальше отстоит от критического уровня деполяризации. Если реполяризация в конце пика ПД замедляется (см. рис. 3.6,а), то относительная рефрактерная фаза включает и период замедления реполяризации, и период гиперполяризации.
4. Фаза экзальтации - это период повышенной возбудимости. Он соответствует следовой деполяризации. В нейронах ЦНС вслед за гиперполяризацией возможна частичная деполяризация клеточной мембраны. В эту фазу очередной ПД можно вызвать более слабым раздражением, поскольку мембранный потенциал несколько ниже обычного и оказывается ближе к критическому уровню деполяризации, что объясняют повышенной проницаемостью клеточной мембраны для ионов Na+. Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность.
Б. Лабильность, или функциональная подвижность (Н.Е.Введенский) - это скорость протекания одного цикла возбуждения, т.е. ПД. Как видно из определения, лабильность ткани зависит от длительности ПД. Это означает, что лабильность, как и ПД, определяется скоростью перемещения ионов в клетку и из клетки, которая, в свою очередь, зависит от скорости изменения проницаемости клеточной мембраны. Особое значение при этом имеет длительность рефракторной фазы: чем больше рефракторная фаза, тем ниже лабильность ткани.
Мерой лабильности является максимальное число ПД, которое ткань может воспроизвести в 1 с. В эксперименте лабильность исследуют в процессе регистрации максимального числа ПД, которое может воспроизвести клетка при увеличении частоты ритмического раздражения.
Лабильность различных клеток существенно различается. Так, лабильность нерва равна 500-1000, нейронов - 20-200, синапса - порядка 100 импульсов в секунду. Лабильность клеток понижается при длительном бездействии и при утомлении.
Следует отметить, что при постепенном увеличении частоты ритмического раздражения лабильность ткани повышается, т.е. ткань отвечает более высокой частотой возбуждения по сравнению с исходной частотой. Это явление открыто А.А.Ухтомским и называется усвоением ритма раздражения.
3.8. ОЦЕНКА ВОЗБУДИМОСТИ ТКАНИ И КЛЕТКИ (ЗАКОНЫ РАЗДРАЖЕНИЯ)

Возбудимость клетки меняется не только в процессе ее возбуждения, но и при изменении химического состава внеклеточной жидкости, например, в результате длительной высокой активности клеток, отклонения показателей внутренней среды в патологических случаях. Возбудимость различных нейронов вариабельна. Наиболее возбудимы нейроны ретикулярной формации (см. раздел 5.4).
Показателями состояния возбудимости ткани являются пороговый потенциал, пороговая сила и пороговое время.
А. Пороговый потенциал (ДV) - это минимальная величина, на которую надо уменьшить мембранный потенциал покоя, чтобы вызвать возбуждение (ПД). ДV и возбудимость клеток находятся в обратных соотношениях: небольшая величина ДV свидетельствует о высокой возбудимости клетки. Если, например, уменьшение мембранного потенциала (частичная деполяризация) на 5-10мВ вызывает возникновение ПД, то возбудимость клетки высока. Напротив, большой ДV (30-40мВ) свидетельствует о более низкой возбудимости клетки. Однако во всех случаях ПД возникает только при достижении критического уровня деполяризации клеточной мембраны (Екр).
Критический уровень деполяризации Екр КУД - это минимальная деполяризация клеточной мембраны, при которой возникает ПД. Дальнейшее раздражение клетки и искусственное снижение ПП ничего не изменяет, поскольку деполяризация клетки, достигнув критической величины, сама по себе ведет к открытию потенциалзависимых ворот Na-каналов, в результате чего Nа+ устремляется в клетку, т.е. ускоряется деполяризация независимо от действия раздражителя (регенеративный процесс). Критический уровень деполяризации клеточной мембраны обычно составляет -50 мВ. При величине ПП, например, 60 мВ (Ео) деполяризация - уменьшение ПП на 10 мВ - приведет к достижению Екр (50 мВ) и возникнет ПД. Если ПП равен -90 мВ, то для вызова ПД надо снизить ПП на 40 мВ. В последнем случае возбудимость клетки значительно ниже. Таким образом:

Соотношения между ДV, Ео и Екр показаны на рис. 3.7: наибольшая возбудимость при наименьшем ДV (см. рис. 3.7, я), наименьшая возбудимость при наибольшем ДV (см. рис. 3.7, в). ДV не зависит от критического уровня деполяризации (Екр), но зависит от величины ПП клетки (Ео), поскольку Екр, как отмечалось, - величина довольно постоянная.

Рис. 3.7. Зависимость возбудимости клетки от Ео - величины мембранного потенциала при одинаковой величине Екр - критического уровня деполяризации мембраны. ДV1 = 10мВ; ДV2= 20 мВ; ДV3= 30мВ. (Объяснение в тексте.)
Величина ПП изменяется в различных условиях деятельности клетки, вследствие этого изменяется и ее возбудимость, например, при изменении концентрации ионов Са2+ , рН среды. Если концентрация ионов Са2+ в среде повышается, то клетка становится менее возбудимой, поскольку возрастает мембранный потенциал, вследствие чего Ео удаляется от Екр. В случае, если концентрация ионов Са2+ снижается, то возбудимость клетки возрастает, так как мембранный потенциал уменьшается, Ео приближается к Екр. Однако если мембранный потенциал медленно снижается ниже Екр (-50 мВ), например в условиях охлаждения или гипоксии, то клетка становится невозбудимой вследствие инактивации Na-каналов и невозможности достичь Екр.
Несмотря на то что ДV является наиболее точной мерой состояния возбудимости клетки, используется этот показатель в эксперименте из-за сложности процедуры реже, чем другие. В частности, с учебной целью, а нередко и в научных исследованиях применяются такие критерии, как пороговая сила и хронаксия.
Б. Пороговая сила - это наименьшая сила раздражителя, способная вызвать возбуждение (ПД) при неограничении ее действия (рис. 3.8, проекция точки А на ординату). Сила раздражителя - понятие собирательное: оно отражает степень выраженности раздражающего воздействия стимула на ткань. Например, сила электрического тока выражается в амперах (А), температура среды -в °С, концентрация химического вещества - в миллимолях на 1 л, сила звука - в децибелах (дБ) и т.д. При использовании в качестве раздражителя электрического тока предложенное определение пороговой силы совпадает с понятием «реобаза». Реобаза - это наименьшая сила тока, способная вызвать импульсное возбуждение. Если пороговая сила раздражителя мала, возбудимость ткани высокая. Чем ниже пороговая сила, тем выше возбудимость ткани. Большая пороговая сила свидетельствует о низкой возбудимости ткани. При внутриклеточном раздражении пороговая сила электрического тока для различных клеток равна 10-7-10-9 А.
В. Пороговое время - это минимальное время, в течение которого на ткань должен действовать раздражитель пороговой силы, чтобы вызвать ее возбуждение (рис. 3.8, проекция точки А на абциссу). Пороговое время называют также полезным временем, так как раздражитель обеспечивает деполяризацию только до критического уровня (Екр). Далее ПД развивается независимо от действия раздражителя, дальнейшее раздражение уже становится ненужным, бесполезным, поскольку ПД - это регенеративный процесс, происходящий благодаря накопленной энергии клеткой в виде концентрационных градиентов различных ионов. В эксперименте для оценки возбудимости ткани чаще используют не пороговое время, а хронаксию, так как пороговое время - очень тонкий критерий. Поэтому малейшие изменения возбудимости ткани ведут к изменению порогового времени. Хронаксия - это наименьшее время, в течение которого должен действовать ток в две реобазы, чтобы вызвать возбуждение (см. рис. 3.8, проекция точки Б на абциссу).


Рис. 3.8. Кривая - сила-длительность. На абсциссе - длительность раздражения; на ординате - сила раздражения

Соотношение между временем действия раздражителя и сверхпороговой силой, необходимой для вызова возбуждения, показано на рис. 3.8. Кривая в виде гиперболы (кривая Гоорвега-Вейса-Лапика) демонстрирует, что с увеличением силы действующего раздражителя (сверхпороговое раздражение) время его действия, необходимое для вызова возбуждения, уменьшается. Из графика (правая часть) также следует, что, если для получения возбуждения использовать раздражитель, по амплитуде меньший реобазы, возбуждение ткани не возникнет даже в том случае, если время его действия будет бесконечно большим. С другой стороны, если для получения возбуждения использовать раздражитель, время действия которого будет меньше некоторого критического интервала (левая часть графика), то возбуждение ткани не будет получено даже при бесконечно большой силе раздражителя. Поэтому высокочастотный переменный ток (>10 кГц) опасности для организма не представляет: при сверхкоротком воздействии на ткань электрический ток вызывает лишь тепловой эффект, что используется в клинической практике для глубокого прогревания тканей при различных патологических процессах. Электрический ток с частотой от 0,5 до 1 мГц также можно использовать в лечебных целях.
Низкочастотный переменный синусоидальный ток (50 Гц) стимулирует возбудимые ткани. Стимулы синусоидального тока частотой 50 Гц большого напряжения опасны для жизни, они могут вызвать фибрилляцию сердца с летальным исходом.
При возбуждении отдельных нейронов они взаимодействуют друг с другом с помощью синапсов.
Глава 4 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙРОНОВ ЦНС

Нейроны ЦНС посылают импульсы друг другу по аксонам (нервным волокнам), которые дихотомически делятся и образуют синапсы на теле или дендритах других нейронов. Имеются прямые и обратные связи нейронов друг с другом.
4.1. ПРОВЕДЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПО НЕРВНЫМ ВОЛОКНАМ

Как известно, потенциалы могут быть локальными, способными распространяться с декрементом (затуханием) всего на 1-2 мм, и импульсными (ПД), которые распространяются без декремента по всей длине нервного или мышечного волокна - до нескольких десятков сантиметров: например, от мотонейронов спинного мозга до мышечных волокон конечностей с учетом и длины самих конечностей. Локальные потенциалы могут возникать в любой клетке, способной генерировать ПД при действии подпорогового раздражения, а также в структурах нервной ткани, не имеющих быстрых потенциалзависимых каналов. Таковыми являются постсинаптические мембраны, мембраны сенсорных рецепторов, часть мембраны тела нейрона и дендрита, клетки нейроглии.
А. Механизм проведения локального потенциала. Локальные потенциалы (препотенциал, рецепторный потенциал, возбуждающий постсинаптический потенциал) изменяют мембранный ПП, как правило, в сторону деполяризации в результате входа в клетку ионов Na+ В результате этого между участком волокна, в котором возник локальный потенциал, и соседним участком мембраны формируется разность потенциалов, вызывающая передвижение ионов согласно электрическому градиенту. В частности, ионы Na+ на наружной поверхности мембраны начинают перемещаться в сторону того участка, в котором первично возник локальный потенциал, при этом положительный потенциал наружной поверхности мембраны соседнего участка уменьшается. Аналогичные изменения наблюдаются на внутренней поверхности мембраны, где вошедшие в клетку ионы Na+ движутся в обратном направлении, что также ведет к уменьшению отрицательного потенциала соседнего участка. В итоге поляризации соседнего участка мембрана уменьшится. Возникшая частичная деполяризация соседнего участка клеточной мембраны вызывает при достижении 50% Екр открытие рядом расположенных потенциалчувствительных ионных каналов клеточной мембраны (см. раздел 2.6.4), что обеспечивает ионный ток в этом месте и, как следствие, частичную деполяризацию мембраны - локальный потенциал. Последний также действует на соседний участок мембраны и т.д., при этом главное направление движения ионов (Na+ - внутрь клетки, ионов К+- из клетки), т. е. перпендикулярно клеточной мембране. Если деполяризация соседнего участка мембраны также не достигает критического уровня, то она не обеспечивает возникновения ПД. При этом быстро развивается инактивация Na-каналов, поэтому деполяризация быстро сменяется реполяризацией вследствие выхода ионов К+ из клетки по неуправляемым каналам (каналы утечки ионов), в результате чего локальный потенциал затухает.
Подобный механизм распространения локального потенциала наблюдается только в тех мембранах, которые содержат потенциал-чувствительные ионные каналы.
Если возникшая деполяризация мембраны не сопровождается изменением проницаемости потенциалзависимых натриевых, кальциевых и калиевых каналов, такую деполяризацию называют электротонической (физической).
Электротоническое распространение возбуждения характерно для фрагментов мембран возбудимых клеток, где нет потенциалзависимых ионных каналов, и ионы движутся только вдоль мембраны волокна. Такими участками являются, например, мембраны дендритов большинства нервных клеток, межперехватные промежутки в миелиновых нервных волокнах. Если распространяющееся локальное возбуждение достигает участков мембраны, способных генерировать ПД (перехваты Ранвье, аксонный холмик нейрона), и их амплитуда выходит на критический уровень деполяризации, формируется ПД, распространяющийся по всей длине волокна.
Эффективность электротонического распространения биопотенциалов зависит от физических свойств нервного волокна: сопротивления, емкости мембраны, сопротивления цитоплазмы. Электротоническое проведение в нервном волокне улучшается при увеличении его диаметра, что связано с уменьшением сопротивления цитоплазмы, а также при миелинизации волокна, увеличивающей сопротивление мембраны.
Проводимость нервного волокна для локального потенциала характеризует постоянная длины мембраны лm — расстояние, на которое может электротонически распространиться биопотенциал, пока его амплитуда не уменьшится до 37% от исходной величины. Постоянная длины мембраны тонких безмиелиновых волокон не превышает 1 мм, толстых миелиновых волокон достигает 5 мм.
Передача информации на большие расстояния в пределах нервной системы осуществляется с помощью нервных импульсов (ПД) по аксонам нейронов.
Б. Механизм проведения потенциала действия. Обязательным условием проведения нервного импульса является наличие на всем протяжении или в ограниченных, но повторяющихся участках волокна быстрых потенциалзависимых (потенциалчувствительных) каналов, ответственных за формирование ПД. В распространении ПД можно выделить два этапа: этап электротонического проведения, обусловленного физическими свойствами нервного волокна, и этап генерации ПД в новом участке на пути его движения. В зависимости от расположения и концентрации ионных каналов в мембране волокна возможно два типа проведения ПД: непрерывный и сальтаторный (скачкообразный).
1. Непрерывное проведение нервного импульса (ПД) осуществляется в безмиелиновых волокнах типа С, что объясняется равномерным распределением потенциалчувствительных ионных каналов, участвующих в генерации ПД. Возникший ПД обеспечивает открытие потенциалзависимых Na-каналов на соседнем участке мембраны нервного волокна и движение ионов Na+ внутрь волокна и вдоль волокна, т.е. электротонически, что обеспечивает развитие критического уровня деполяризации на соседнем участке нервного волокна и возникновение нового ПД. Постоянная длины мембраны (лm) безмиелиновых волокон составляет примерно 0,1-1,0 мм, т.е. эта величина во много раз больше расстояния между отдельными каналами, что обеспечивает высокую надежность проведения ПД, способного деполяризовать мембрану до критического уровня и обеспечить генерацию нового ПД (рис. 4.1). Следует также отметить, что чисто электротонический этап распространения ПД (вдоль мембраны) в безмиелиновом волокне предельно мал и наблюдается только до достижения деполяризации мембраны 50% Екр. Далее включается перпендикулярное перемещение ионов за счет активации ионных каналов, при этом в каждом участке мембраны ПД возникает заново, поэтому он проводится без снижения амплитуды - без декремента.

Рис. 4.1. Непрерывное распространение ПД в нервном волокне. 1 - возникновение ПД в нервном волокне и распространение ПД в обе стороны от места возникновения. В области деполяризации мембраны (1) преобладает входящий в клетку натриевый ток; 2 - соседняя область, в которой локальный ток от области ПД вызывает деполяризацию до критического уровня

Рис. 4.2. Сальтаторное распространение ПД в миелиновых нервных волокнах. Возникновение ПД в перехвате Ранвье среднего участка волокна и распространение ПД в обе стороны от места возникновения. Стрелками показаны токи на электротоническом этапе распространения ПД. В области перехватов Na+- движется в клетку, К+ - из клетки

Непрерывное распространение нервного импульса идет через генерацию новых ПД по эстафете, когда каждый возникший импульс является раздражителем для соседнего участка нервного волокна и обеспечивает возникновение нового ПД.
2. Сальтаторное проведение нервного импульса (ПД) осуществляется в миелиновых волокнах, так как у них потенциалчувствительные ионные каналы локализованы только в участках мембраны перехватов Ранвье, где их плотность достигает 12 000 на 1 мкм2. В области миелиновых муфт (межузловые сегменты), обладающих высокими изолирующими свойствами, потенциалчувствительных каналов почти нет, вследствие чего мембрана осевого цилиндра там практически невозбудима. Поэтому ПД, возникший в одном перехвате Ранвье, электротонически (продольно, без участия ионных каналов) распространяется до соседнего перехвата и деполяризует мембрану до критического уровня, что ведет к возникновению нового ПД, т.е. возбуждение проводится скачкообразно (рис. 4.2). Движение ионов Na+ внутрь миелинового волокна (перпендикулярно) имеется только в области перехвата Ранвье. Как отмечалось, постоянная длины мембраны (лm) миелинового волокна достигает 5 мм. Это обеспечивает высокую надежность проведения ПД, так как он, распространяясь электротонически на это расстояние, сохраняет 37% от своей амплитуды (около 30 мВ) и может деполяризовать мембрану до критического уровня (пороговый потенциал в перехватах Ранвье равен около 15 мВ). Даже в случае повреждения ближайших перехватов Ранвье на пути следования ПД он может электротонически возбудить 2-4-й и даже 5-й перехваты.
Сальтаторное проведение нервных импульсов является эволюционно более поздним механизмом, возникшим впервые у позвоночных в связи с миелинизацией нервных волокон. Оно имеет два важных преимущества по сравнению с непрерывным механизмом проведения возбуждения:
• более экономично в энергетическом плане, так как возбуждаются только перехваты. Ранвье, площадь которых составляет менее 1% от площади мембраны волокна, следовательно, надо меньше энергии для восстановления трансмембранных градиентов ионов Na+ и К+, уменьшающихся в процессе возникновения ПД;
• возбуждение проводится с большей скоростью (до 120 м/с), чем в безмиелиновых волокнах (0,5-2,0 м/с), так как электротоническое распространение ПД в области миелиновых муфт происходит значительно быстрее, чем в результате непрерывной генерации ПД в безмиелиновых волокнах. В связи с этим миелиновые волокна в нервной системе сформировались там, где необходима наиболее быстрая регуляция функций. В миелиновых волокнах ПД как бы перескакивает от одного перехвата Ранвье к другому.
В. Закономерности проведения возбуждения по нервным волокнам.
1. Двустороннее проведение возбуждения доказывается регистрацией нервных импульсов с двух сторон от места нанесения раздражения на нерв, способного вызвать возбуждение (рис. 4.1). В условиях целого организма двустороннее проведение наблюдается в аксонном холмике нейрона. Возникающий в этом месте ПД переходит не только на аксон, но и на тело нейрона.
2. Изолированное проведение возбуждения в отдельных нервных волокнах. Обычно оно не передается с одного нервного волокна на другое. Это обусловлено тем, что петли тока в межклеточной жидкости ствола, имеющей низкое сопротивление, почти не проникают в невозбужденные волокна нерва вследствие высокого сопротивления их оболочек. Изолированное проведение импульсов по нервным волокнам обеспечивает высокую точность регуляторной деятельности ЦНС на другие нервные клетки и клетки-эффекторы рабочего органа.
3. Большая скорость проведения возбуждения, достигающая 120 м/с. Скорость проведения возбуждения по нервному волокну определяется его диаметром: чем толще нервное волокно, тем больше скорость проведения ПД по этому волокну. Так, при увеличении диаметра от 12 до 22 мкм скорость распространения нервного импульса возрастает от 70 до 120 м/с, при диаметре 8-12 мкм скорость составляет 40-70 м/с, 4-8 мкм - 15-40 м/с, 1-4 мкм - 5-15 м/с.
4. Неутомляемостъ нервного волокна. Н.Е.Введенский (1883) обнаружил, что нерв сохраняет способность к проведению возбуждения в течение 6-8 ч непрерывного раздражения. Это обусловлено тем, что при проведении ПД по нервным волокнам используется 1/1 000 000 часть запасов трансмембранных ионных градиентов и, следовательно, нужны небольшие количества АТФ для восстановления ионных градиентов. Расход энергии в нерве примерно в 16 раз меньше, чем на соответствующую единицу массы в целом организме в условиях покоя.
5. Возможность функционального блока проведения возбуждения при морфологической целостности нервных волокон. Н. Е. Введенский (1901) показал, что действие различных альтерирующих агентов на нерв вызывает состояние парабиоза, в результате чего нервный импульс не проходит через этот участок нерва. Причиной блока являются специфические расстройства работы ионных каналов мембраны под влиянием альтерирующих агентов. Для создания блока протяженность парабиотического участка должна превысить постоянную длины мембраны, иначе ПД может распространиться через этот участок электротонически. Нарушение физиологической непрерывности нервных волокон можно наблюдать при действии на нерв анестетиков, различных ядов, растворов солей, новокаина, при гипоксии, охлаждении. Временная блокада проведения возбуждения широко применяется в клинической практике.
4.2. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИОЛОГИИ НЕРВОВ ДЕТЕЙ

А. Критерии структурно-функциональной зрелости мякотных и безмякотных нервных волокон. Этими критериями являются увеличение толщины волокон и уменьшение проницаемости клеточной мембраны, что оказывает существенное влияние на свойства нервного волокна. Главный критерий степени зрелости мякотных нервных волокон - их миелинизация, особенно интенсивная к концу антенатального периода. При этом увеличивается расстояние между перехватами Ранвье и изменяется распределение ионных каналов.
У ребенка первых лет жизни при неполной миелинизации нервных волокон распределение Na- и К-каналов в мембране равномерное. После завершения миелинизации каналы концентрируются в области перехватов Ранвье, что обусловлено перераспределением в мембране белковых молекул, являющихся основой каналов. В безмякотных волокнах распределение ионных каналов остается равномерным по всей длине волокна. Филогенетически старые пути миелинизируются раньше, чем филогенетически новые.
Передние спинномозговые корешки у детей достигают состояния, свойственного взрослым, в период от 2-го до 5-го года жизни, а задние - от 5-го до 9-го года. Миелинизация нервных волокон близка к завершению к 9 годам жизни ребенка.
С возрастом в результате созревания нервных волокон их возбудимость, скорость проведения возбуждения и лабильность увеличиваются.
Б. Возбудимость нервных волокон у новорожденного значительно ниже, чем у взрослых, но уже с 3-месячного возраста она начинает повышаться. Величина хронаксии в несколько раз больше, чем у взрослых. Потенциал покоя нервных волокон у детей значительно ниже, чем у взрослых, вследствие большей проницаемости мембраны для ионов. В процессе созревания нервного волокна проницаемость его мембраны снижается, улучшается работа ионных помп, возрастают ПП и ПД, что свидетельствует о функциональной зрелости нервного волокна. Небольшая величина ПД новорожденного сочетается с большой его продолжительностью и часто с отсутствием инверсии. Это объясняется меньшей, чем у взрослых, ионной асимметрией нейронов. Фазовые изменения возбудимости во время возбуждения в раннем постнатальном онтогенезе также имеют свои особенности. В частности, длительность абсолютной рефракторной фазы равна 5-8 мс, а относительной - 40-60 мс (у взрослых - соответственно 0,5-2 и 2-10 мс).
В. Проводимость нерва. У детей проводимость нерва низкая. Так, у новорожденных скорость проведения возбуждения по нервным волокнам не превышает 50% от скорости взрослых. Плохо выражена изолированность проведения возбуждения. С возрастом скорость проведения возбуждения по нервным волокнам возрастает в результате их миелинизации, увеличения толщины волокна и его ПД.
Миелинизация нервных волокон обеспечивает увеличение скорости проведения возбуждения вследствие того, что непрерывное проведение возбуждения сменяется сальтаторным и увеличивается расстояние между перехватами Ранвье (ПД электротонически «перепрыгивает» на большее расстояние). Увеличение толщины безмякотного нервного волокна и еще не покрытого миелином мякотного нервного волокна ведет к ускорению проведения возбуждения вследствие уменьшения продольного сопротивления току ионов в аксоплазме. В свою очередь увеличение мембранного потенциала способствует ускорению проведения возбуждения потому, что большой ПД быстрее вызывает возбуждение соседнего участка волокна. Скорость распространения возбуждения по нервным волокнам у детей становится такой же, как у взрослых, к 5-9 годам, что связано с завершением миелинизации различных волокон в разные сроки и окончанием увеличения диаметров осевых цилиндров.
Г. Лабильность нервного волокна. У детей первых лет жизни лабильность нервного волокна низкая. С возрастом она увеличивается: число ПД, которое способно воспроизвести волокно в 1 с у новорожденных, например, составляет 4-10, а у детей 5-9 лет приближается к норме для взрослых - 300-800 импульсов в секунду.
4.3. ФИЗИОЛОГИЯ СИНАПСОВ ЦНС

Синапс (от греч. synapsis - соединение) - это структура, обеспечивающая передачу возбуждающих или тормозных влияний между двумя возбудимыми клетками. Посредством синапса осуществляются трофические влияния, приводящие к изменению метаболизма иннервируемой клетки, ее структуры и функции.
4.3.1. Структурно-функциональная характеристика синапсов

А. Классификация межнейронных синапсов. Классифицируют такие синапсы по нескольким критериям. 1. По локализации выделяют аксодендритные, аксосоматические, аксоаксонные, дендросоматические, дендродендритные синапсы. Функция двух последних форм изучена недостаточно.
2. По эффекту синапсы делят на возбуждающие, т.е. запускающие генерацию ПД, и тормозные, препятствующие возникновению ПД.
3. По способу передачи сигнала различают синапсы химические, электрические и смешанные. Химические синапсы являются специфическим межклеточным контактом для нервной системы. В них передача на постсинаптическую клетку осуществляется с помощью химического посредника - медиатора. Этот тип синапса преобладает в нервной системе человека и других высших позвоночных.
Электрические синапсы обнаружены в головном мозге млекопитающих: мезэнцефальном ядре тройничного нерва, вестибулярном ядре Дейтерса (преддверное латеральное ядро), ядре нижней оливы продолговатого мозга. Имеются следующие электрические синапсы: аксон - сома, аксон - дендрит, аксон - аксон, дендрит - сома и сома - сома, т. е. как и у химических синапсов.
В смешанных синапсах наряду с химической передачей имеются участки с электротоническим механизмом передачи (например, в спинном мозге лягушки).
Б. Функциональные элементы химического синапса. 1. Пресинаптическое окончание образуется по ходу разветвления аксона, иннервирующего другую клетку. Главным ультраструктурным фрагментом пресинаптического окончания являются синаптические пузырьки (везикулы) диаметром около 40 нм. Они расположены преимущественно вблизи периодических утолщений синаптической мембраны, называемых активными зонами. В пресинаптическом окончании содержится несколько тысяч везикул, в каждой из которых имеется, по подсчетам разных авторов, от 1000 до 10000 молекул химического вещества, участвующего в передаче влияния через синапс и в связи с этим названного медиатором (посредник). Медиатор образуется либо в теле нейрона, попадая в синаптическую бляшку, пройдя через весь аксон, либо непосредственно в синаптической бляшке. В обоих случаях для синтеза медиатора нужны ферменты, образующиеся в теле клетки на рибосомах. Важными структурами пресинаптического окончания являются митохондрии, осуществляющие энергетическое обеспечение процесса синаптической передачи, цистерны гладкого эндоплазматического ретикулума, содержащие депонированный ион Са2+, а также микротрубочки и микрофиламенты, участвующие во внутриклеточном передвижении везикул. Часть мембраны пресинаптического окончания, ограничивающая синаптическую щель, называется пресинаптической мембраной. Через нее осуществляется выброс медиатора в синаптическую щель посредством экзоцитоза.
2. Синоптическая щель имеет ширину 20-50 нм. В ней содержатся межклеточная жидкость и мукополисахаридное вещество в виде полосок, мостиков, которое обеспечивает связь между пре- и постсинаптической мембранами, могут быть ферменты.
3. Постсинаптическая мембрана - это утолщенная часть клеточной мембраны иннервируемой клетки, содержащая белковые рецепторы, имеющие ионные каналы и способные связать молекулы медиатора, вследствие чего возникает активация ионных каналов. Характеристику электрических синапсов ЦНС см в разделе 4.3.4.
4.3.2. Механизм передачи сигнала в химических синапсах

А. Нервный импульс, поступивший в пресинаптическое окончание, вызывает деполяризацию его мембраны, открывающую потенциалзависимые Са-каналы. Ионы Са2+ входят согласно концентрационному и электрическому градиентам внутрь окончания, что ведет к увеличению содержания ионов в цитозоле в 10-100 раз. Ион Са2+ вызывает слияние синаптических пузырьков с внутренней поверхностью пресинаптической мембраны и последующий экзоцитоз содержащегося в них медиатора в синаптическую щель. Выделение молекул медиатора из пресинаптического окончания пропорционально количеству поступивших туда ионов Са2+ в степени п=4. Например, при увеличении концентрации ионов Ca2+ в 2 раза выход медиатора может увеличиться в 24, т.е. в 16 раз. Один из возможных механизмов участия ионов Са2+ в секреции медиатора состоит в активации (фосфорилировании) специального белка, запускающего этот процесс. Выделение медиатора в синаптическую щель осуществляется в небольшом количестве и в состоянии покоя синапса - 1-2 кванта в секунду. Каждый квант (синаптический пузырек) содержит от 1000 до 10000 молекул.
Б. Молекулы медиатора, поступившие в синаптическую щель, диффундируют к постсинаптической мембране и вступают во взаимодействие с ее рецепторами. Скорость диффузии молекул медиатора позволяет им пройти синаптическую щель за 0,1-0,2 мс. Длительность действия медиатора на рецепторы постсинаптической мембраны, определенная по продолжительности открывания ионных каналов в ней, равна 1-2 мс. Удаление медиатора происходит путем диффузии его из щели в окружающую жидкость, обратного захвата пресинаптическим окончанием и разрушением под действием фермента, находящегося в синаптической щели и постсинаптической мембране. Ацетилхолин инактивируется ацетилхолинэстеразой, норадреналин - моноаминоксидазой, катехол-О - метилтрансферазой и т.д.
В. Возбуждение постсинаптической мембраны. Выделившийся в синаптическую щель медиатор действует на рецепторы постсинаптической мембраны и повышает ее проницаемость для ионов Na+ и К+. Канал имеет слабую избирательность в отношении этих ионов, поэтому ионные токи через канал зависят главным образом от концентрационного и электрического градиентов. В связи с этим вход в клетку ионов Na+, которому способствуют как концентрационный, так и электрический градиенты, преобладает над выходом ионов К+, так как их выходу из клетки препятствует электрический градиент. Это ведет к деполяризации постсинаптической мембраны, называемой возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП). При достижении ВПСП критической величины в нейроне возникает ПД (см. также раздел 4.4).
4.3.3. Особенности проведения возбуждения в химических синапсах

1. Одностороннее проведение, возбуждения - в направлении от пресинаптического окончания в сторону постсинаптической мембраны - связано с тем, что медиатор выделяется из пресинаптического окончания, а взаимодействующие с ним рецепторы, имеющие ионные каналы, необходимые для формирования синаптических потенциалов, находятся только на постсинаптической мембране. Поэтому пресинаптическая мембрана нечувствительна к выделившемуся медиатору. ВПСП, возникающий на постсинаптической мембране, не в состоянии возбудить пресинаптическое окончание из-за дальности расстояния.
2. Замедленное проведение сигнала, объясняется синаптической задержкой (интервал между приходом импульса к пресинаптической мембране и возникновением ВПСП в нейроне составляет 0,2-0,5 мс). Необходимо время для выделения медиатора из пресинаптического окончания, диффузии его к постсинаптической мембране, возникновения ВПСП.
3. Низкая лабильность синапсов, равная 100-150 передаваемым импульсам в секунду, что в 5-6 раз ниже лабильности аксона. Главной причиной низкой лабильности синапса является сравнительно большая совокупная длительность процессов, обеспечивающих проведение возбуждения от пресинаптической мембраны к нейрону.
4. Проводимость химических синапсов сильно изменяется под влиянием биологически активных веществ, лекарственных средств и ядов. Она легко блокируется и стимулируется.
4.3.4. Электрические синапсы ЦНС

Электрические синапсы имеют щель, которая на порядок меньше, чем щель у химических синапсов. Они проводят сигнал в обе стороны без синаптической задержки. Передача сигнала не блокируется при удалении ионов Са2+. Кроме того, электрические синапсы малочувствительны к фармакологическим препаратам и ядам, практически неутомляемы, как и нервное волокно. Контактирующие мембраны нейронов связаны друг с другом полуканалами белковой природы - коннексонами (от англ. connection - связь). Через коннексоны клетки обмениваются некоторыми компонентами цитоплазмы: аминокислотами, пептидами, РНК, метаболитами, циклическими нуклеотидами. Очень низкое удельное сопротивление сближенных пре- и постсинаптических мембран обеспечивает хорошую электрическую проводимость. Определенную роль в обеспечении такой электрической проводимости играют коннексоны.
Механизм передачи возбуждения в электрическом синапсе подобен таковому в нервном волокне: ПД, возникающий на пресинаптической мембране, непосредственно раздражает постсинаптическую мембрану. Работа электрических синапсов может регулироваться близлежащими химическими синапсами. Например, между шипиками клеток ядра нижней оливы продолговатого мозга передача возбуждения блокируется, если выделяется медиатор в рядом расположенном химическом синапсе. Электрические синапсы, как выяснилось, оказывают действие на метаболизм контактирующих клеток.
4.4. МЕДИАТОРЫ И РЕЦЕПТОРЫ ЦНС

Медиаторами ЦНС являются многие химические вещества, разнородные в структурном отношении (в головном мозге обнаружено около 30 биологически активных веществ). По химическому строению их можно разделить на несколько групп, главными из которых являются моноамины, аминокислоты и полипептиды. Достаточно широко распространенным медиатором является ацетилхолин.
А. Ацетилхолин. Встречается в различных отделах ЦНС, известен в основном как возбуждающий медиатор: в частности, является медиатором б-мотонейронов спинного мозга, иннервирующих скелетную мускулатуру. С помощью ацетилхолина б-мотонейроны по коллатералям своих аксонов передают возбуждение на тормозные клетки Реншоу. В ретикулярной формации ствола мозга, в гипоталамусе обнаружены М- и N-холинорецепторы. При взаимодействии ацетилхолина с рецепторным белком последний изменяет свою конформацию, в результате чего открывается ионный канал. Тормозное влияние ацетилхолин оказывает с помощью М-холинорецепторов в глубоких слоях коры большого мозга, в стволе мозга, хвостатом ядре.
Б. Моноамины. Выделяют катехоламины, серотонин и гистамин. Большинство из них в значительных количествах содержится в нейронах ствола мозга, в меньших количествах они обнаруживаются в других отделах ЦНС.
Катехоламины обеспечивают возникновение процессов возбуждения и торможения, например, в промежуточном мозге, черной субстанции, лимбической системе, полосатом теле.
С помощью серотонина в нейронах ствола мозга передаются возбуждающие и тормозящие влияния, в коре мозга - тормозящие влияния. Серотонин содержится главным образом в структурах, имеющих отношение к регуляции вегетативных функций. Особенно много его в лимбической системе, ядрах шва. В нейронах названных структур выявлены ферменты, участвующие в синтезе серотонина. Аксоны этих нейронов проходят в бульбоспинальных путях и оканчиваются на нейронах различных сегментов спинного мозга. Здесь они контактируют с клетками преганглионарных симпатических нейронов и со вставочными нейронами желатинозной субстанции. Полагают, что часть этих так называемых симпатических нейронов, а может быть и все, являются серотонинергическими нейронами вегетативной нервной системы. Их аксоны, согласно данным некоторых авторов, идут к органам пищеварительного тракта и стимулируют их сокращение.
Гистамин в довольно высокой концентрации обнаружен в гипофизе и срединном возвышении гипоталамуса. В остальных отделах ЦНС уровень гистамина очень низкий. Медиаторная роль его изучена мало. Выделяют H1- и Н2-гистаминорецепторы. H1-рецепторы имеются в гипоталамусе и участвуют в регуляции потребления пищи, терморегуляции, секреции пролактина и антидиуретического гормона. Н2-рецепторы обнаружены на глиальных клетках.
В. Аминокислоты. Кислые аминокислоты (глицин, г-аминомасляная кислота) являются тормозными медиаторами в синапсах ЦНС и действуют на тормозные рецепторы (см. раздел 4.8). Нейтральные аминокислоты (б-глутамат, б-аспартат) передают возбуждающие влияния и действуют на соответствующие возбуждающие рецепторы. Предполагают, что глутамат может быть медиатором афферентов в спинном мозге. Рецепторы глутаминовой и аспарагиновой аминокислот имеются на клетках спинного мозга, мозжечка, таламуса, гиппокампа, коры большого мозга. Полагают, что глутамат - самый распространенный медиатор ЦНС.
Г. Полипептиды. В синапсах ЦНС они также выполняют медиаторную функцию. В частности, субстанция Р является медиатором нейронов, передающих сигналы боли. Особенно много этого полипептида в дорсальных корешках спинного мозга. Это послужило основанием к предположению, что субстанция Р может быть медиатором чувствительных нервных клеток в области их переключения на вставочные нейроны. Субстанция Р в больших количествах содержится в гипоталамической области. Различают два вида рецепторов субстанции Р: рецепторы типа SP-P, расположенные на нейронах мозговой перегородки, и рецепторы типа SP-E, расположенные на нейронах коры большого мозга.
Энкефалины и эндорфины - медиаторы нейронов, блокирующих болевую импульсацию. Они реализуют свое влияние посредством соответствующих опиатных рецепторов, которые особенно плотно располагаются на клетках лимбической системы; много их также на клетках черной субстанции, ядрах промежуточного мозга и солитарного тракта, имеются они на клетках голубого пятна, спинного мозга. Их лигандами являются в-эндорфин, динорфин, лей- и мет-энкефалины.
Ангиотензин участвует в передаче информации о потребности организма в воде, люлиберин - в половой активности.
Физиологические эффекты действия некоторых медиаторов головного мозга. Норадреналин регулирует настроение, эмоциональные реакции, обеспечивает поддержание бодрствования, участвует в механизмах формирования некоторых фаз сна, сновидений; дофамин -в формировании чувства удовольствия, регуляции эмоциональных реакций, поддержании бодрствования. Дофамин полосатого тела регулирует сложные мышечные движения. Серотонин ускоряет процессы обучения, формирования болевых ощущений, сенсорное восприятие, засыпание, ангиотензин - повышение АД, торможение синтеза катехоламинов, стимулирует секрецию гормонов; информирует ЦНС об осмотическом давлении крови. Олигопептиды -медиаторы настроения, полового поведения; передачи ноцицептивного возбуждения от периферии в ЦНС, формирования болевых ощущений. Эндорфины, энкефалины, пептид, вызывающий дельта-сон, обусловливают антиболевые реакции, повышение устойчивости к стрессу, сон. Простагландины вызывают повышение свертываемости крови, изменение тонуса гладких мышц, усиление физиологического эффекта медиаторов и гормонов. Мозгоспецифичные белки различных отделов головного мозга влияют на процессы обучения.
Согласно принципу Дейла, один нейрон синтезирует и использует один и тот же медиатор или одни и те же медиаторы во всех разветвлениях своего аксона. Кроме основного медиатора, как выяснилось, в окончаниях аксона могут выделяться и другие - сопутствующие медиаторы, играющие модулирующую роль.
Эффект действия медиатора зависит в основном от свойств ионных каналов постсинаптической мембраны. Это явление особенно ярко демонстрируется при сравнении эффектов отдельных медиаторов в ЦНС и в периферических синапсах организма. Ацетилхолин, например, в коре мозга при микроаппликациях на разные нейроны может вызывать возбуждение и торможение, в синапсах сердца - торможение, в синапсах гладкой мускулатуры пищеварительного тракта - возбуждение. Катехоламины вызывают возбуждение и торможение в стволе мозга.
4.5. 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 Na+. В частности, в дендритах клеток Пуркинье мозжечка выявлены не только быстрые натриевые потенциалы, но и медленные кальциевые, вход ионов Ca2+ 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 Na+
1. 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 постсинаптический 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 Ca2+ 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 катехолметилтрансферазой, ацетилхолин гидролизуется ацетилхолинтрансферазой, имеющейся в синаптической щели и встроенной в постсинаптическую мембрану. Прекращение действия избытков медиатора на постсинаптическую мембрану предотвращает десенситизацию - снижение чувствительности постсинаптической 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 - аксонный 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 Na-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, ортодромно 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 02 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 дендритов 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 реакции 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 (в), и конвергенция эфферентных путей от различных отделов ЦНС на б-мотонейрон спинного мозга (6)

1. 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, б), 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 коллатералей 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 ВПСП либо 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 (б). 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.
4.7. СВОЙСТВА НЕРВНЫХ ЦЕНТРОВ

Рассматриваемые ниже свойства нервных центров объясняются некоторыми особенностями распространения возбуждения в ЦНС, особыми свойствами химических синапсов и свойствами мембран нервных клеток. Основными свойствами нервных центров являются следующие.
А. Фоновая активность нервных центров (тонус) объясняется следующим:
• спонтанной активностью нейронов ЦНС;
• гуморальным влиянием циркулирующих в крови биологически активных веществ (метаболиты, гормоны, медиаторы и др.), влияющих на возбудимость нейронов;
• афферентной импульсацией от различных рефлексогенных зон;
• суммацией миниатюрных потенциалов, возникающих в результате спонтанного выделения квантов медиатора из аксонов, образующих синапсы на нейронах;
• циркуляцией возбуждения в ЦНС.
Значение фоновой активности нервных центров заключается в обеспечении некоторого исходного уровня деятельного состояния центра и эффекторов. Этот уровень может возрастать или снижаться в зависимости от колебаний суммарной активности нейронов нервного центра-регулятора.
Б. Трансформация ритма возбуждения - это изменение числа импульсов, возникающих в нейронах центра на выходе, относительно числа импульсов, поступающих на вход данного центра.
Трансформация ритма возбуждения возможна как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Увеличению числа импульсов, возникающих в центре в ответ на афферентную импульсацию, способствуют иррадиация процесса возбуждения (см. раздел 4.6) и последействие. Уменьшение числа импульсов в нервном центре объясняется снижением его возбудимости за счет процессов пре- и постсинаптического торможения, а также избыточным потоком афферентных импульсов. При большом потоке афферентных влияний, когда уже все нейроны центра или нейронного пула возбуждены, дальнейшее увеличение афферентных входов не увеличивает число возбужденных нейронов.
В. Инерционность - сравнительно медленное возникновение возбуждения всего комплекса нейронов центра при поступлении к нему импульсов и медленное исчезновение возбуждения нейронов центра после прекращения входной импульсации. Инерционность центров связана с суммацией возбуждения и последействием.
I. Явление суммации возбуждения в ЦНС открыл И.М.Сеченов (1868) в опыте на лягушке: раздражение конечности лягушки слабыми редкими импульсами не вызывает реакции, а более частые раздражения такими же слабыми импульсами сопровождается ответной реакцией - лягушка совершает прыжок. Различают временную (последовательную) сулилацию и пространственную суммацию (рис. 4.6).
Временнамя суммация. На рис. 4.6 слева показана схема для экспериментального тестирования эффектов, вызываемых в нейроне ритмической стимуляцией аксона. Запись вверху позволяет видеть, что если ВПСП быстро следуют друг за другом, то они суммируются благодаря своему относительно медленному временному ходу (несколько миллисекунд), достигая в конце концов порогового уровня. Временная суммация обусловлена тем, что ВПСП от предыдущего импульса еще продолжается, когда приходит следующий импульс. Поэтому данный вид суммации называют также последовательной суммацией. Она играет важную физиологическую роль, потому что многие нейронные процессы имеют ритмический характер и, таким образом, могут суммироваться, давая начало надпороговому возбуждению в нейронных объединениях нервных центров.
Пространственная суммация (см. рис. 4.6, б). Раздельная стимуляция каждого из двух аксонов вызывает подпороговый ВПСП, тогда как при одновременной стимуляции обоих аксонов возникает ПД, что не может быть обеспечено одиночным ВПСП. Пространственная суммация связана с такой особенностью распространения возбуждения, как конвергенция.
2. Последействие - это продолжение возбуждения нервного центра после прекращения поступления к нему импульсов по афферентным нервным путям. Причинами последействия являются:
• длительное существование ВПСП, если ВПСП полисинаптический и высокоамплитудный; в этом случае при одном ВПСП возникает несколько ПД;
• многократные появления следовой деполяризации, что свойственно нейронам ЦНС; если следовая деполяризация достигает Екр, то возникает ПД;
• циркуляция возбуждения по замкнутым нейронным цепям (см. раздел 4.6).



Первые две причины действуют недолго - десятки или сотни миллисекунд, третья причина - циркуляция возбуждения - может продолжаться минуты и даже часы. Таким образом, особенность распространения возбуждения (его циркуляция) обеспечивает другое явление в ЦНС - последействие. Последнее играет важнейшую роль в процессах обучения - кратковременной памяти.
Г. Большая чувствительность ЦНС к изменениям внутренней среды: например, к изменению содержания глюкозы в крови, газового состава крови, температуры, к вводимым с лечебной целью различным фармакологическим препаратам. В первую очередь реагируют синапсы нейронов. Особенно чувствительны нейроны ЦНС к недостатку глюкозы и кислорода. При снижении содержания глюкозы в 2 раза ниже нормы могут возникнуть судороги. Тяжелые последствия для ЦНС вызывает недостаток кислорода в крови. Прекращение кровотока всего на 10 с приводит к очевидным нарушениям функций мозга: человек теряет сознание. Если кровоток прекращается на 8-12 мин, то возникают необратимые нарушения деятельности мозга; погибают многие нейроны, в первую очередь корковые, что ведет к тяжелым последствиям.
Д. Утомляемость нервных центров продемонстрировал Н.Е.Введенский в опыте на препарате лягушки при многократном рефлекторном вызове сокращения икроножной мышцы с помощью раздражения большеберцового (п. tibialis) и малоберцового (п. peroneus) нервов. В этом случае ритмическое раздражение одного нерва вызывает ритмическое сокращение мышцы, приводящее к ослаблению силы ее сокращения вплоть до полного отсутствия сокращения. Переключение раздражения на другой нерв сразу же вызывает сокращение той же мышцы, что свидетельствует о локализации утомления не в мышце, а в центральной части рефлекторной дуги (рис. 4.7).
При этом развивается постсинаптическая депрессия (привыкание, габитуация) - ослабление реакции центра на раздражения (афферентные импульсы), выражающееся в снижении постсинаптических потенциалов во время длительного раздражения или после него. Это ослабление объясняется расходованием медиатора, накоплением метаболитов, закислением среды при длительном проведении возбуждения по одним и тем же нейронным цепям.
Е. Пластичность нервных центров - способность нервных элементов к перестройке функциональных свойств. Основные проявления этого свойства следующие: посттетаническая потенциация и депрессия, доминанта, образование временных связей, а в патологических случаях - частичная компенсация нарушенных функций.
1. Посттетаническая потенциация (синаптическое облегчение) - это улучшение проведения в синапсах после короткого раздражения афферентных путей. Кратковременная активация увеличивает амплитуду постсинаптических потенциалов. Облегчение наблюдается и во время раздражения (вначале); в этом случае феномен называют тетанической потенциацией. Степень выраженности облегчения возрастает с увеличением частоты импульсов; облегчение максимально, когда импульсы поступают с интервалом в несколько миллисекунд.

Рис. 4.7. Схема опыта Н.Е.Введенского, иллюстрирующего локализацию утомления в рефлекторной дуге.
1 - раздражение большеберцового нерва; 2 - раздражение малоберцового нерва; 3 - полусухожильная мышца лягушки; 4 - кривая сокращения полусухожильной мышцы

Длительность посттетанической потенциации зависит от свойств синапса и характера раздражения. После одиночных стимулов она выражена слабо, после раздражающей серии потенциация (облегчение) может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. По-видимому, главной причиной возникновения синаптического облегчения является накопление Са2+ в пресинаптических окончаниях, поскольку Са2+, который входит в нервное окончание во время ПД, накапливается там, так как ионная помпа не успевает выводить его из нервного окончания. Соответственно увеличивается высвобождение медиатора при возникновении каждого импульса в нервном окончании, возрастает ВПСП. Кроме того, при частом использовании синапсов ускоряются синтез медиатора и мобилизация пузырьков медиатора; напротив, при редком использовании синапсов синтез медиаторов уменьшается - важнейшее свойство ЦНС. Поэтому фоновая активность нейронов способствует возникновению возбуждения в нервных центрах.
Значение синоптического облегчения, по-видимому, заключается в том, что оно создает предпосылки улучшения процессов переработки информации на нейронах нервных центров, что крайне важно, например, для обучения в ходе выработки условных рефлексов. Повторное возникновение явлений облегчения в нервном центре может вызвать переход центра из обычного состояния в доминантное.
1. Если раздражение продолжается, то в химических синапсах может наступить депрессия, по-видимому, вследствие истощения медиатора.
3. Доминанта - господствующий очаг возбуждения в ЦНС, подчиняющий себе функции других нервных центров. Явление доминанты открыл А.А.Ухтомский (1923) в опытах с раздражением двигательных зон большого мозга и наблюдением за возникающим сгибанием конечности животного. Как выяснилось, если раздражать корковую двигательную зону на фоне избыточного повышения возбудимости другого нервного центра, то обычного сгибания конечности не происходит. Вместо сгибания конечности раздражение двигательной зоны вызывает реакцию тех эффекторов, деятельность которых контролируется господствующим, т.е. доминирующим в данный момент в ЦНС, нервным центром.
В эксперименте доминанту можно получить многократной посылкой афферентных импульсов к определенному центру, гуморальными на него влияниями. Роль гормонов в образовании доминантного очага возбуждения демонстрирует опыт на лягушке:
весной у самца раздражение любого участка кожи вызывает не защитный рефлекс, а усиление обнимательного рефлекса. В условиях натурального поведения доминантное состояние нервных центров может быть вызвано метаболическими причинами.
Доминантный очаг возбуждения обладает рядом особых свойств, главными из которых являются следующие: инерционность, стойкость, повышенная возбудимость, способность «притягивать» к себе иррадиирующие по ЦНС возбуждения, способность оказывать угнетающие влияния на центры-конкуренты и другие нервные центры.
Значение доминантного очага возбуждения в ЦНС заключается в том, что на его базе формируется конкретная приспособительная деятельность, ориентированная на достижение полезных результатов. Например, на базе доминантного состояния центра голода реализуется пищедобывательное поведение; на базе доминантного состояния центра жажды запускается поведение, направленное на поиск воды. Успешное завершение данных поведенческих актов в итоге устраняет физиологические причины доминантного состояния центров голода и жажды. Доминанта играет важную роль в координационной деятельности ЦНС (см. раздел 4.9), в запоминании и переработке информации.
4. Компенсация нарушенных функций после повреждения того или иного центра - результат проявления пластичности ЦНС. Хорошо известны клинические наблюдения, когда у больных после кровоизлияний в вещество мозга повреждались центры регуляции мышечного тонуса и акта ходьбы. Тем не менее со временем отмечалось, что парализованная конечность постепенно начинает вовлекаться в двигательную активность, при этом нормализуется тонус ее мышц. Нарушенная двигательная функция частично, а иногда и полностью восстанавливается за счет большей активности сохранившихся нейронов и вовлечения в эту функцию других - «рассеянных» - нейронов в коре большого мозга с подобными функциями. Этому способствуют регулярные пассивные и активные движения.
4.8. ТОРМОЖЕНИЕ В ЦНС

Торможение - это активный нервный процесс, результатом которого является прекращение или ослабление возбуждения. Торможение вторично относительно процесса возбуждения, так как всегда возникает как следствие возбуждения.
Торможение в ЦНС открыл И.М.Сеченов (1863). В опыте на таламической лягушке он определял латентное время сгибательного рефлекса при погружении задней конечности в слабый раствор серной кислоты. Было показано, что латентное время рефлекса значительно увеличивается, если на зрительный бугор предварительно положить кристаллик поваренной соли. Открытие И.М.Сеченова послужило толчком для дальнейших исследований торможения в ЦНС. В частности, Ф.Гольц (1870) обнаружил проявления торможения у спинальной лягушки. Он также исследовал латентное время рефлекса. Оказалось, что механическое раздражение кончиков пальцев одной конечности лягушки существенно удлиняет латентный период сгибательного рефлекса другой конечности при погружении ее в раствор кислоты. Наличие специальных тормозных структур в продолговатом мозге доказал Х.Мегун (1944). В опытах на кошках при изучении разгибательного рефлекса он установил, что раздражение медиальной части ретикулярной формации продолговатого мозга тормозит рефлекторную активность спинного мозга.
Тонкий анализ тормозных явлений в ЦНС позволил выделить две разновидности торможения: 1) постсинаптическое торможение и 2) пресинаптическое торможение.
4.8.1. Постсинаптическое торможение

А. Этот вид торможения открыл Д.Экклс (1952) при регистрации потенциалов мотонейронов спинного мозга у кошки во время сокращения и расслабления мышцы в ходе реализации соответствующих рефлекторных актов. Оказалось, что при рефлекторном расслаблении мышц на мотонейронах регистрируется гиперполяризационный постсинаптический потенциал, уменьшающий возбудимость мотонейрона, угнетающий его способность реагировать на возбуждающие влияния. По этой причине вызванный гиперполяризационный потенциал был назван тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП; рис. 4.8).
У кошки ТПСП регистрируется на 0,5 мс позже, чем ВПСП, что объясняется наличием на пути проведения возбуждения, запускающего ТПСП, одного дополнительного синапса. Амплитуда ТПСП 1-5 мВ. Он способен суммироваться, более мощный афферентный залп вызывает возрастание амплитуды ТПСП.
Б. Механизм постсинаптического торможения. Возбудимость клетки от ТПСП (гиперполяризационного постсинаптического потенциала) уменьшается, потому что увеличивается пороговый потенциал (ДV), так как Екр (критический уровень деполяризации, КУД) остается на прежнем уровне, а мембранный потенциал (Ео) возрастает. ТПСП возникает под влиянием аминокислоты глицина. Глицин выделяется особыми тормозными клетками в синапсах, образуемых этими клетками на мембране нейрона-мишени. Действуя на постсинаптическую мембрану, глицин увеличивает ее проницаемость для С1- и в меньшей степени для К+. Оба иона движутся согласно концентрационным градиентам и вопреки электрическим градиентам: С1- в клетку, К+ из клетки, в результате развивается гиперполяризация. Ареактивность нейрона к возбуждающим импульсам является следствием алгебраической суммации ТПСП и ВПСП, в связи с чем в зоне аксонного холмика не происходит выведения мембранного потенциала на критический уровень. Как известно, вышедший из клетки К+ транспортируется обратно в клетку Na/K-помпой, что и поддерживает градиент его концентрации. По- видимому, и С1- транспортируется в этом случае из клетки специальной хлорной помпой, хотя обычно отмечают, что градиент концентрации С1- поддерживается отрицательным электрическим зарядом внутри клетки - С1-выталкивается отрицательным электрическим зарядом. Возникновение ТПСП обеспечивается входом С1- в клетку. Это доказывает, что концентрационный градиент действует сильнее противоположно направленного электрического градиента. Отсутствие С1- помпы привело бы к исчезновению химического (концентрационного) градиента для С1- и нарушению процесса торможения. Но этого не происходит, что подтверждает подобное заключение. Кроме спинного мозга, глицинорецепторы обнаружены на нейронах ствола мозга. Как выяснилось, ТПСП могут возникать вследствие уменьшения проницаемости мембраны для Na+, что также сопровождается гиперполяризацией клеточной мембраны, особенно если проницаемость для K+ и С1- сохраняется прежней. Такого рода ТПСП были зарегистрированы в нейронах симпатических ганглиев.




Рис. 4.8. Возбуждающий (ВПСП) и тормозной (ТПСП) постсинаптические потенциалы

В. Разновидности постсинаптического торможения. Обычно выделяют возвратное, латеральное, параллельное и прямое (реципрокное) постсинаптическое торможение. Имеются и другие варианты классификаций. Некоторые авторы называют только два торможения - возвратное и прямое, последнее трактуется по-разному. В реальной действительности вариантов торможения больше, они определяются множеством связей различных нейронов, в частности их коллатералей.
1. Возвратное постсинаптическое торможение - это такое торможение, когда тормозные вставочные нейроны действуют на те же нервные клетки, которые их активируют. В этом случае развивающееся торможение бывает тем глубже, чем сильнее было предшествующее возбуждение. Типичным примером возвратного постсинаптического торможения является торможение в мотонейронах спинного мозга. Как показано на рис. 4.9, 2, мотонейроны посылают коллатерали к тормозным вставочным нейронам, аксоны которых в свою очередь образуют синапсы на тех же мотонейронах, которые возбуждают тормозную клетку Реншоу. Такая тормозная цепь называется торможением Реншоу - в честь ученого, который ее открыл, а тормозные вставочные нейроны в этой цепи - клетками Реншоу. Это торможение в центрах сгибателей и разгибателей обеспечивает, например, поочередное сокращение и расслабление скелетной мышцы, что необходимо при ходьбе и беге. Сама клетка Реншоу возбуждается под влиянием ацетилхолина с помощью N-холинорецептора.
2. Подобную роль может играть и параллельное торможение, когда возбуждение блокирует само себя за счет дивергенции по коллатерали с включением тормозной клетки на своем пути и возвратом импульсов к нейрону, который активировался этим же возбуждением (см. рис. 4.9, 1).


3. Латеральное постсинаптическое торможение иллюстрирует рис. 4.9, 3. Тормозные вставочные нейроны соединены таким образом, что они активируются импульсами от возбужденного центра и влияют на соседние клетки с такими же функциями. В результате в этих соседних клетках развивается очень глубокое торможение. Такого типа торможение называется латеральным потому, что образующаяся зона торможения находится «сбоку» по отношению к возбужденному нейрону и инициируется им. Латеральное торможение играет особенно важную роль в афферентных системах. Латеральное торможение может образовать тормозную зону, которая окружает возбуждающие нейроны.
4. Примером прямого торможения может служить реципрокное торможение. Оно вызывает угнетение центра-антагониста. Например, при раздражении кожных рецепторов возникает защитный сгибательный рефлекс - центр сгибания возбужден, а центр разгибания заторможен. В этом случае возбуждающие импульсы поступают к центру мышцы-сгибателя, а через тормозную клетку Реншоу - к центру мышцы-антагониста - разгибателю, что предотвращает ее сокращение (см. рис. 4.9, 4). Если бы одновременно возбуждались центры мышц - сгибателей и разгибателей, сгибание конечности в суставе было бы невозможным.
4.8.2. Пресинаптическое торможение. Роль различных видов торможения

А. Открытие. Пресинаптическое торможение первоначально выявлено в спинном мозге в опыте с регистрацией активности мотонейронов моносинаптической рефлекторной дуги при раздражении антагонистических мышечных нервов. Так, известно, что раздражение первичных афферентов мышечных веретен сопровождается возбуждением гомонимных б-мотонейронов (б-мотонейронов этой же мышцы). Однако опережающее раздражение афферентов сухожильных рецепторов мышц-антагонистов предотвращает возбуждение активируемых б-мотонейронов (рис. 4.10). Интересным в данном случае было то, что мембранный потенциал и возбудимость исследуемых б-мотонейронов не изменялись либо регистрировался низкоамплитудный ВПСП, недостаточный для возникновения ПД. В опыте исследовались мотонейроны в составе моносинаптической рефлекторной дуги, поэтому было очевидно: они не возбуждаются вследствие процессов, происходящих в пресинаптическом окончании, что определяет название этого вида торможения.


Б. Механизм пресинаптического торможения. Электрофизиологическое изучение процессов на уровне пресинаптических окончаний в описанном опыте показало, что здесь регистрируется выраженная и продолжительная деполяризация, ведущая к развитию торможения. В очаге деполяризации нарушается процесс распространения возбуждения, следовательно, поступающие импульсы, не имея возможности пройти зону деполяризации в обычном количестве и обычной амплитуде, не обеспечивают выделение медиатора в синаптическую щель в достаточном количестве: нейрон
не возбуждается, его функциональное состояние, естественно, остается неизменным. Деполяризацию пресинаптической терминали вызывают специальные тормозные вставочные клетки, аксоны которых образуют синапсы на пресинаптических окончаниях аксона-мишени (рис. 4.10). Торможение (деполяризация) после одного афферентного залпа продолжается 300-400 мс, медиатором является г-аминомасляная кислота (ГАМК).
Формирование деполяризации пресинаптического окончания на ионном уровне изучено недостаточно. Полагают, что деполяризация является следствием повышения проницаемости для ионов Сl -, в результате чего они выходят из клетки. По-видимому, в составе мембран пресинаптических терминалей имеется хлорный насос, обеспечивающий избыточное поступление ионов Сl - внутрь клетки вопреки электрическому градиенту. Под действием ГАМК тормозных нейронов и последующего повышения проницаемости мембраны для ионов Сl - последние начинают выходить наружу согласно электрическому градиенту. Это приводит к деполяризации пресинаптических терминалей и ухудшению их способности проводить импульсы.
Полагают также, что деполяризация пресинаптических терминалей может возникнуть при накоплении К+ в межклеточной жидкости в результате повышенной активности нервных окончаний и соседних нервных клеток. В этом случае также ухудшается проводимость пресинаптических терминалей вследствие устойчивого снижения мембранного потенциала в связи с уменьшением концентрационного градиента для К+ и уменьшением выхода его из клетки
В. Разновидности пресинаптического торможения. Обычно выделяют параллельное и латеральное пресинаптическое торможение. Структурная организация этого торможения внешне похожа на такие же варианты постсинаптического торможения. Однако напомним: механизм пресинаптического торможения отличается принципиально - возбуждение задерживается не на теле нейрона, а на подступах к нему. В случае постсинаптического торможения заторможен нейрон - снижена возбудимость тела нейрона (обычно вследствие его гиперполяризации).
В реальной действительности взаимоотношения возбуждающих и тормозных нейронов значительно сложнее, чем представлено на рис. 4.9. Тем не менее все варианты пре- и постсинаптического торможений можно объединить в две группы: 1) когда блокируется собственный путь самим распространяющимся возбуждением с помощью вставочных тормозных клеток (параллельное и возвратное торможение) и 2) когда блокируются другие нервные элементы под влиянием импульсов от соседних возбуждающих нейронов или афферентных импульсов от проприорецепторов с включением тормозных клеток (латеральное и прямое торможение). Активация тормозных клеток может облегчить распространение возбуждения, поскольку тормозные клетки сами могут быть заторможены другими тормозными нейронами с помощью механизмов пре- и постсинаптического торможения (торможение торможения).
Г. Локализация в ЦНС пре- и постсинаптического торможения. Оба механизма торможения широко представлены в различных отделах ЦНС: в частности, глицин - медиатор постсинаптического торможения, кроме клеток Реншоу, имеется в ретикулярной формации ствола мозга; ГАМК - в спинном мозге, мозжечке, коре большого мозга. Оба вида торможения могут быть заблокированы: постсинаптическое - стрихнином; пресинаптическое - бикукулином. Пост- и пресинаптическое торможение блокируется также столбнячным токсином, который нарушает высвобождение тормозных медиаторов.
Иногда выделяют в качестве разновидности центрального торможения торможение вслед за возбуждением. С точки зрения имеющихся фактов, особым механизмом торможения его считать нельзя, поскольку оно является результатом следовой гиперполяризации нейронов. Если выделять этот вид торможения, то его целесообразно называть «следовое торможение» как результат следовой гиперполяризации нейрона. Пессимальное торможение (пессимум Введенского), наблюдаемое в эксперименте на нервно-мышечном препарате, в ЦНС в физиологических условиях, по-видимому, не встречается.
Д. Роль торможения. 1. Оба известных вида торможения со всеми их разновидностями выполняют охранительную роль. Отсутствие торможения привело бы к истощению медиаторов в аксонах нейронов и прекращению деятельности ЦНС.
2. Торможение играет важную роль в обработке поступающей в ЦНС информации. Особенно ярко выражена эта роль у пресинаптического торможения. Оно более точно регулирует процесс возбуждения, поскольку этим торможением могут быть заблокированы отдельные нервные волокна. К одному возбуждающему нейрону могут подходить сотни и тысячи импульсов по разным терминалям. Вместе с тем число дошедших до нейрона импульсов определяется пресинаптическим торможением. Торможение параллельных (латеральных) путей обеспечивает выделение существенных сигналов из фона. Блокада торможения ведет к широкой иррадиации возбуждения и судорогам (например, при выключении пресинаптического торможения бикукулином).
3. Торможение является важным фактором обеспечения координационной деятельности ЦНС.
4.9. КООРДИНАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЦНС

Координационная деятельность ЦНС - это согласование деятельности различных отделов ЦНС с помощью упорядочения распространения возбуждения между ними. Основой координационной деятельности является взаимодействие процессов возбуждения и торможения. Если выключить один из этих процессов, деятельность организма нарушается. Например, при блокаде процессов возбуждения в ЦНС у лягушки с помощью эфира лягушка становится обездвиженной, ее мышцы теряют тонус. Активность лягушки полностью отсутствует. Если выключить процесс торможения в ЦНС, например, введением стрихнина (блокатор постсинаптического торможения), деятельность организма также нарушается в результате беспрепятственной иррадиации по ЦНС процессов возбуждения. В этом случае нарушается двигательная активность вследствие расстройства элементарных координации на уровне спинного мозга, ответственных за поочередное возбуждение и торможение спинальных мотонейронов, контролирующих работу мышц.
Итак, взаимодействие возбуждения и торможения - основа координационной деятельности ЦНС. Вместе с тем следует обратить внимание на ряд факторов, обеспечивающих возможность такого взаимодействия, а также придающих ему приспособительный характер, ориентированный на поддержание оптимальных режимов функционирования систем организма.
А. Фактор структурно-функциональной связи - это наличие между отделами ЦНС, между ЦНС и различными органами функциональной связи, обеспечивающей преимущественное распространение возбуждения между ними. Имеется несколько вариантов подобной связи.
1. Прямая связь - управление другим центром (ядро) или рабочим органом с помощью посылки к ним эфферентных импульсов (команд). Например, нейроны дыхательного центра продолговатого мозга посылают импульсы к б-мотонейронам спинного мозга, от которых нервные импульсы поступают к дыхательным мышцам. Мозжечок посылает импульсы к ядрам ствола мозга.
2. Обратная связь (обратная афферентация) - управление нервным центром или рабочим органом с помощью афферентных импульсов, поступающих от них. В данном случае центр имеет, естественно, и прямую связь с образованиями, функцию которых контролирует, но обратная афферентация делает прямую связь более совершенной в функциональном отношении (принцип обратной связи в регуляции функций организма). Если нарушить прямую связь центра с регулируемым центром или органом, то управление становится невозможным. В случае, если нарушить только обратную связь, управление сильно страдает. Денервация, например, аортальной и синокаротидной рефлексогенных зон (нарушение принципа обратной связи) ведет к развитию гипертонии - увеличению АД, деафферентация конечности - к нарушению ее управления. Если, например, у собаки перерезать задние корешки спинного мозга, обеспечивающие чувствительную иннервацию одной из конечностей, то эта конечность может совершать движения в ритме дыхания и жевания. При нарушении обратной связи становится невозможной регуляция функций по отклонению (основной тип регуляции в организме).
3. Реципрокная (сочетанная) связь - вид функциональной связи на уровне структур ЦНС. Эта связь обеспечивает торможение центра-антагониста при возбуждении центра-агониста. Например, при вызове сгибательного рефлекса конечности импульсы из рефлексогенной зоны (кожа) поступают через вставочные нейроны к мотонейронам центра мышц-сгибателей, а также одновременно к центру-антагонисту (мышц-разгибателей), но с включением на пути тормозного нейрона, который образует тормозный синапс на нейронах центра-разгибателя. Мышцы-разгибатели поэтому не сокращаются и не препятствуют сгибанию конечности. Реципрокные взаимоотношения между центрами встречаются довольно широко. Так, при возбуждении центра глотания тормозится центр жевания, рефлекс глотания тормозит вдох, возбуждение центра вдоха тормозит центр выдоха.
4. Принцип модульной (ансамблевой) структурно-функциональной организации ЦНС. Каждый модуль (нейронный ансамбль) представляет собой совокупность повторяющихся локальных нейронных сетей, обрабатывающих и передающих информацию с помощью внутренних и внешних связей. Один модуль может входить в состав различных функциональных образований. Основным функциональным признаком модульной организации в деятельности мозга является локальный синергизм реакций нейронов центральной части ансамбля, окруженной зоной заторможенных нейронов, - тормозная окантовка (А. Б. Коган, О. Г. Чораян).
Б. Фактор субординации - подчинение нижележащих отделов ЦНС вышележащим. Например, пирамидные клетки коры большого мозга, нейроны красного ядра управляют активностью б- и г-мотонейронов спинного мозга. В процессе эволюции наблюдается тенденция к возрастанию роли вышележащих отделов головного мозга в обеспечении координированной деятельности нижележащих центров (цефализация), причем с преобладанием тормозных влияний. Восходящие влияния оказываются преимущественно возбуждающими.
В. Фактор силы. Известно, что к одному и тому же центру могут подходить пути от различных рефлексогенных зон (принцип общего конечного пути). В случае их одномоментной активации центр будет реагировать на более сильное возбуждение.
Например, слабое раздражение кожи у собаки вызывает чесательный рефлекс нижней конечности. После прекращения действия раздражителя и окончания чесательного рефлекса наносят более сильное раздражение на эту же конечность, вызывающее оборонительный рефлекс (сгибание конечности), - организм избавляется от раздражителя. После окончания оборонительного рефлекса наносят одновременно два раздражения, каждое из которых в отдельности вызывает чесательный или оборонительный рефлекс. В последнем случае возникает только оборонительный рефлекс, чесательный рефлекс оказывается заторможенным. Таким образом, в борьбе за общий конечный путь побеждает более сильное возбуждение - более важная команда в биологическом отношении.
Г. Одностороннее проведение возбуждения в химических синапсах ЦНС способствует упорядочению распространению возбуждения, ограничивая иррадиацию возбуждения в ЦНС.
Д. Феномен облегчения участвует в процессах обеспечения координационной деятельности ЦНС при выработке навыков. Недостаточно координированные движения в начале выработки навыка постепенно становятся более точными - координированными. Дополнительные, ненужные движения постепенно устраняются. Возбуждение распространяется в ЦНС быстрее по проторенным путям, возбудимость которых повышена (см. 4.7).
Е. Доминанта играет важную роль в координационной деятельности ЦНС. Как было отмечено (4.7), доминанта - это стойкий господствующий очаг возбуждения, подчиняющий себе активность других нервных центров. Доминантное состояние двигательных центров обеспечивает автоматизированное выполнение двигательных актов, например, в процессе трудовой деятельности человека, при выполнении гимнастических элементов.
4.10. ИНТЕГРИРУЮЩАЯ РОЛЬ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Интегрирующая роль нервной системы - это соподчинение и объединение тканей и органов в центрально-периферическую систему, деятельность которой направлена на достижение полезного для организма приспособительного результата. Такое объединение становится возможным благодаря участию ЦНС в управлении опорно-двигательным аппаратом с помощью соматической нервной системы, благодаря регуляции функций всех внутренних органов и тканей организма с помощью вегетативной нервной системы, благодаря наличию обширнейших афферентных связей ЦНС со всеми соматическими и вегетативными эффекторами организма. Условно можно выделить четыре уровня ЦНС, каждый из которых вносит свой вклад в реализацию интегративных процессов.
Первый уровень - нейрон. Благодаря наличию множества возбуждающих и тормозных синапсов на нейроне он превратился в ходе эволюции в перерабатывающее устройство. Взаимодействие возбуждающих и тормозных входов в итоге определяет, возникнет ПД или нет, т.е. будет ли дана команда другому нейрону или рабочему органу или нет.
Второй уровень - нейрональный ансамбль (модуль), обладающий качественно новыми свойствами, отсутствующими у отдельных нервных клеток и позволяющими ему включаться в более сложные взаимоотношения в составе ЦНС (П.Г.Костюк и др.; см. раздел 4.9).
Третий уровень - нервный центр. Благодаря наличию множественных прямых, обратных и реципрокных связей в ЦНС и наличию прямых и обратных связей с периферическими органами нервные центры часто выступают как автономные командные устройства, обеспечивающие управление тем или иным процессом на периферии в составе саморегулирующейся, самовосстанавливающейся, самовоспроизводящейся системы.
Четвертый уровень - высший уровень интеграции, объединяющий все центры регуляции в единую регулирующую систему, а отдельные органы и системы - в единую физиологическую систему (организм). Это достигается взаимодействием главных систем ЦНС: лимбической, ретикулярной формации, подкорковых образований и неокортекса как высшего отдела ЦНС, организующего поведенческие реакции и их вегетативное обеспечение.
Глава 5 СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ ОТДЕЛОВ МОЗГА (иерархия функций)
5.1. СТАНОВЛЕНИЕ РЕФЛЕКСОВ И РАЗВИТИЕ ДВИГАТЕЛЬНЫХ НАВЫКОВ В ОНТОГЕНЕЗЕ

Основные жизненно важные рефлекторные акты, генетически закрепившиеся в ходе эволюции, проявляются на определенных стадиях онтогенеза. На базе этих врожденных реакций вырабатываются многообразные приобретенные рефлексы, обеспечивающие индивидуальный опыт в поведении. Чем выше по своей организации животное, тем больший удельный вес в ходе развития занимают условнорефлекторные формы поведения. Доминирующее значение они приобретают у высших животных и человека.
5.1.1. Антенатальный период

А. Рефлексы плода. Еще в период внутриутробной жизни у млекопитающих возникают характерные для каждой стадии развития типы двигательных рефлексов и вегетативных функций. Так, например, у плода кролика - типичного представителя млекопитающих последовательно выявляются следующие фазы нервной деятельности:
• фаза первичных локальных двигательных рефлексов, выражающаяся в изолированных движениях головы и конечностей в ответ на механические и другие раздражения кожи этих областей;
• фаза первичной генерализации рефлексов - обобщенных быстрых вздрагивательных движений всего тела в ответ на раздражения разных областей;
• фаза вторичной генерализации рефлексов - обобщенных медленных тонических движений головы, туловища и конечностей в ответ на раздражение любых участков тела;
• фаза специализации двигательных рефлексов.
Каждая из указанных фаз нервной деятельности хронологически совпадает с определенной морфологической зрелостью спинного и продолговатого мозга, а также периферических нервных аппаратов.
Первые локальные и общие движения головы, туловища и конечностей осуществляются за счет структурных звеньев рефлекторных дуг спинного и продолговатого мозга, без участия вышележащих отделов мозга. В этот период отмечается дифференцировка рецепторных аппаратов кожи и мышц, межпозвоночных и черепно-мозговых узлов, передних рогов спинного и продолговатого мозга, начальная миелинизация проводящих путей спинальных дуг, обособление друг от друга осевых цилиндров в волокнах путей. Стволовые отделы головного мозга при этом находятся только на стадии топографической дифференцировки, в цитологическом отношении они являются еще совсем незрелыми. Наличие у плода обобщенных тонических реакций уже связано с участием стволовых образований головного мозга, которые к этому времени достигают большей степени структурной зрелости. Наконец, фаза специализации рефлекторных реакций, охватывающая последние дни зародышевой жизни и ранний период после рождения, обусловливается дальнейшей морфологической зрелостью рефлекторных дуг спинного мозга и значительным структурным развитием стволовых, подкорковых и корковых отделов головного мозга.
У человеческого зародыша 7,5-8 нед впервые появляются локальные двигательные рефлексы в виде контрлатеральной или дорсальной флексии шеи и верхней части туловища на раздражение губ и крыльев носа (без участия других частей тела). К этому времени морфологически созревают все элементы рефлекторной дуги, необходимые для осуществления этого рефлекса. В возрасте 8,5-9,5 нед контрлатеральная флексия на раздражение тех же зон сопровождается участием в движении большей части туловища и верхних конечностей. По мере роста плода все больше увеличивается количество рефлексогенных зон кожи, с которых удается вызвать двигательные реакции с вовлечением в них значительных групп мышц.
У человеческого плода в возрасте около 3 мес обнаруживается ряд двигательных рефлексов (открывание рта, сгибание шеи, локальные движения отдельных частей конечностей, примитивный подошвенный рефлекс и др.). Вскоре рефлекторные реакции плода приобретают характер обобщенных, генерализованных движений. Раздражение любого ограниченного пункта кожи (например, голени) вызывает не только сгибание и разгибание, приведение и отведение данной конечности, но и двигательные акты другой ноги, обеих рук, туловища и головы. При этом каждый участок кожи может служить рефлексогенной зоной для самых разнообразных двигательных реакций, распространяющихся на большую или меньшую часть организма. Однако у плода более зрелого возраста (после 5-6 мес) наклонность к генерализации рефлексов постепенно исчезает и выявляется тенденция к ограничению и специализации рефлексов: при повторном аналогичном раздражении движения становятся ограниченными и сосредоточенными в пределах стимулируемой зоны тела.
Ранние формы рефлексов у плода человека, так же как и у высших животных, осуществляются за счет рефлекторных дуг, замыкающихся в пределах спинного и продолговатого мозга. В связи с недостаточной морфологической зрелостью этих дуг (неполная дифференцировка клеток, незрелость осевых цилиндров волокон, слабая миелинизация), обусловливающей широкую иррадиацию процесса возбуждения и слабую выраженность тормозного процесса, в этот период наблюдаются генерализованные двигательные реакции. В более позднем возрасте, начиная с 6-7-го месяца, усложняющиеся и специализирующиеся рефлекторные акты протекают уже с участием стволовых и подкорковых отделов головного мозга. В это время цитологическая дифференцировка важных образований мозга (красное ядро, черная субстанция, наружное и внутреннее коленчатые тела и др.), а также клеточная дифференцировка отдельных слоев коры выражены более отчетливо.
Б. Спонтанная активность мускулатуры плода. Выделяют три основные формы такой активности.
Форма 1 - тонические сокращения мышц-сгибателей, обеспечивающие ортотоническую позу (согнутые шея, туловище и конечности), благодаря которой плод занимает в матке минимальный объем. Эта поза поддерживается раздражением кожных рецепторов околоплодными водами, а также афферентной импульсацией от проприорецепторов скелетных мышц.
Форма 2 - периодические фазные сокращения мышц-разгибателей. Они имеют генерализованный характер. Эти движения ощущаются матерью как шевеление плода обычно 4-8 раз в час начиная с 4,5-5 мес беременности. Частота шевелений увеличивается при обеднении крови матери, а вследствие этого и плода питательными веществами и кислородом. В процессе двигательной активности плода у него усиливается деятельность сердца, повышается АД, ускоряется кровоток по всему организму и, естественно, через плаценту, что ведет к увеличению в крови количества кислорода и питательных веществ. Двигательная активность плода способствует развитию его мускулатуры и мозга.
Форма 3 - дыхательные движения. Они начинаются на 14-й неделе внутриутробного развития. Частота дыхательных движений 40-70 в 1 мин. На 6-м месяце внутриутробного развития достаточной зрелости достигают структуры, ответственные за центральную регуляцию дыхания. Последнее обеспечивает возможность их немедленного включения в работу после рождения ребенка.
Зрелой к моменту рождения является фракция ядра лицевого нерва, реализующая управление соответствующими эффекторами в составе функциональной системы сосания (П.К.Анохин).
В процессе развития рефлекторной деятельности ребенка 1-го года жизни обращают на себя внимание непостоянство и вариабельность отдельных рефлексов, а также меняющийся уровень рефлекторной возбудимости. В раннем возрасте все кожно-мышечные, сухожильные, шейно-тонические и лабиринтные рефлексы, осуществляемые через нижележащие отделы мозга, чрезвычайно повышены. Повышение рефлекторной возбудимости отмечается вплоть до второго полугодия жизни ребенка, после чего она постепенно снижается до уровня, соответствующего взрослому человеку. Высокая общая рефлекторная возбудимость и наличие ряда специфических рефлексов (хоботковый, хватательный, Моро, Бабинского и др.) являются следствием недостаточного развития в ранний период коры большого мозга и тесно связанных с ней ближайших подкорковых образований, т.е. отсутствием с ее стороны регулирующих влияний на нижележащие центры. В полной мере эти влияния устанавливаются в течение первых лет жизни ребенка и во многом зависят от благоприятных факторов внешней среды и педагогических воздействий.
5.1.2. Неонатальный период

В неонатальном периоде отмечаются дальнейший рост нервной ткани, усиление процессов миелинизации нервных волокон, дифференцировки нейрофибрилл, совершенствование механизмов проницаемости клеточных мембран, повышение возбудимости нейронов, развитие их шипикового аппарата, установление ассоциативных связей, что в итоге приводит к постепенному совершенствованию базовых нейродинамических процессов.
У новорожденных спинной мозг, структуры ствола мозга, бледное ядро, зрительный бугор развиты в целом хорошо. Красное ядро, красноядерно-спинномозговой путь миелинизированы.
Как известно, корковой частью двигательного анализатора являются поля 4 и 6. К моменту рождения эти поля развиты недостаточно.
Созревание структур ЦНС усиливается гормонами щитовидной железы. Стимулирующая роль в ходе созревания и функционального становления ЦНС отводится афферентным потокам импульсов, поступающих в структуры мозга из внешней среды.
Электрофизиологические характеристики нейронов обладают рядом особенностей. В частности, нейроны у новорожденных имеют относительно высокий ПП - около 50 мВ (у взрослых 60-80 мВ). Поверхность тела нейронов и дендритов, покрытая синапсами, во много раз меньше, чем у взрослых. Возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) имеют большую длительность, чем у взрослых, более продолжительной является синаптическая задержка, нейроны оказываются менее возбудимыми. Не столь эффективны процессы постсинаптического торможения нейронов вследствие малой амплитуды тормозных постсинаптических потенциалов (ТПСП), а также меньшего числа на нейронах тормозных синапсов.
Вследствие морфологической и функциональной незрелости структур ЦНС, недостаточности элементарных механизмов возбуждения и торможения у новорожденных оказываются несовершенными многие проявления их двигательной активности.
Спонтанные периодические движения новорожденного беспорядочны, хаотичны, в них участвуют конечности, голова и туловище. Тем не менее наблюдаются и координированные ритмические сгибания и разгибания. Периоды двигательной активности отчетливо преобладают над периодами полного покоя. Для проснувшегося новорожденного характерны пространственно ориентированные движения головы, направленные на поиск материнской груди, полноценные сосательные движения.
Мышечный тонус у новорожденных поддерживается импульсами, идущими от проприорецепторов, кожных терморецепторов и даже рецепторов растяжения легких, активирующихся при вдохе.
Для новорожденного, как и для плода, характерна ортотоническая поза как следствие некоторой гипертензии мышц-сгибателей.
Отличительными особенностями рефлексов новорожденных являются генерализованный характер их проявления и обширность рефлексогенной зоны вызова того или иного рефлекса. Эти свойства рефлексов объясняются, во-первых, отсутствием над ними контроля со стороны головного мозга; во-вторых, относительно облегченной иррадиацией процесса возбуждения в ЦНС. Причиной иррадиации возбуждения является слабость процессов торможения. С возрастом рефлексы становятся более совершенными: генерализованность уменьшается, рефлексогенные зоны рефлексов суживаются. В возрасте 1-5 дней рефлексогенной зоной сосательного рефлекса являются губы и кожа всего лица; в 6-10 дней - губы и кожа вокруг рта, в возрасте 15 дней - только губы. Ряд рефлексов новорожденного постепенно исчезает, но многие из них подвергаются лишь угнетению в результате развивающихся тормозных влияний со стороны вышележащих отделов мозга, особенно коры большого мозга, на нижележащие центры.
Всю совокупность рефлексов новорожденного целесообразно разделить на следующие пять групп:
1. Пищевые: сосательный и глотательный рефлексы появляются при механическом, тепловом и вкусовом раздражении рецепторов ротовой и околоротовой областей. Так, если вложить ребенку в рот соску, он начинает совершать активные сосательные движения. Сосательный рефлекс исчезает к концу 1-го года жизни.
2. Защитные: мигательный рефлекс - мигание при освещении глаз или раздражении поверхности носа, век, ресниц, роговой оболочки глаз; зрачковый рефлекс - уменьшение диаметра зрачка при освещении; рефлекс отдергивания конечности в ответ на болевое раздражение.
3. Двигательные: хватательный рефлекс (рефлекс Робинсона) -схватывание и прочное удерживание предмета (палец, карандаш, игрушка) при прикосновении им к ладони - исчезает на 2-4-м месяце. Рефлекс обхватывания (рефлекс Моро) - отведение рук в стороны и разгибание пальцев с последующим возвращением рук в исходное положение. Для вызова рефлекса ребенка, находящегося на руках у врача, резко опускают на 20 см и затем поднимают до исходного уровня. Рефлекс можно вызвать при ударе по поверхности, на которой лежит ребенок, а также при быстром подъеме с положения на спине. Исчезает после 4 мес. Подошвенный рефлекс (рефлекс Бабинского) - изолированное тыльное разгибание большого пальца и подошвенное сгибание (иногда веерообразное расхождение) остальных при раздражении подошвы по наружному краю стопы от пятки к пальцам. Исчезает после 12 мес. Коленный рефлекс - сгибание (у взрослых разгибание) в коленном суставе при ударе по сухожилию четырехглавой мышцы бедра ниже коленной чашечки. Сгибание у новорожденных связано с преобладанием у них тонуса мышц-сгибателей; заменяется разгибательным рефлексом на 2-м месяце. Хоботковый рефлекс - выпячивание губ хоботком в результате сокращения круговой мышцы рта при легком ударе пальцем по губам ребенка или поколачивании по коже вокруг рта на уровне десен; исчезает к концу первого полугодия жизни. Поисковый рефлекс (поиск груди матери) - опускание губ, отклонение языка и поворот головы в сторону раздражителя при поглаживании кожи в области угла рта. Рефлекс ярче выражен у голодного ребенка; исчезает к концу 1-го года жизни. Рефлекс ползания (рефлекс Бауэра): ребенка кладут на живот так, чтобы голова и туловище располагались на одной линии. В таком положении ребенок на несколько мгновений поднимает голову и совершает ползающие движения (спонтанное ползание). Если подставить под подошвы ладонь, движения становятся более разнообразными: ребенок начинает отталкиваться ногами от препятствия, в «ползание» включаются руки. Рефлекс исчезает к 4 мес.
4. Тонические: лабиринтный рефлекс вызывается изменением положения головы в пространстве. У ребенка, лежащего на спине, повышен тонус разгибателей шеи, спины, ног. Если ребенка перевернуть на живот, то увеличивается тонус сгибателей шеи, спины, конечностей. Рефлекс Кернига: у лежащего на спине ребенка сгибают ногу в тазобедренном и коленном суставах, затем пытаются разогнуть ногу в коленном суставе. Рефлекс считается положительным, если сделать это не удается; исчезает после 4 мес.
5. Ориентировочный. Возникает на достаточно сильные неожиданные раздражения экстерорецепторов (вспышка света, звук), выражается вздрагиванием ребенка с последующим «замиранием». Уже в конце 1-й недели после рождения ребенок поворачивает глаза и голову в сторону источников света и звука. Отмечается начальное несовершенное слежение за ярким перемещающимся в одной плоскости объектом. Ориентировочный рефлекс является основой выработки будущих условных рефлексов на звуковые и световые раздражители.
Интеграция всех двигательных реакций у новорожденного ребенка реализуется на уровне таламопаллидарных структур.
5.1.3. Грудной возраст и другие возрастные периоды

А. Общая характеристика двигательных навыков детей в раннем онтогенезе. Характер движений ребенка в раннем онтогенезе определяется, во-первых, степенью зрелости ЦНС, во-вторых, как и у взрослых, усвоением двигательных навыков, которые для ребенка в раннем онтогенезе практически все новые.
Взрослый человек привычные движения совершает механически, незаметно для внимания, смена одних мышечных сокращений другими непроизвольна, автоматизирована. Двигательные автоматизмы гарантируют наиболее экономное расходование мышечной энергии в процессе выполнения движения. Новый, незнакомый двигательный акт энергетически всегда более расточителен, чем привычный, автоматизированный. Взмах косы косаря, удар молота кузнеца, бег пальцев музыканта - до предела отточенные, энергетически скупые и рациональные автоматизированные движения. Совершенствование движений в их постепенной экономизации, автоматизации, обеспечиваемой деятельностью стриопаллидарной системы.
Стриарная система является более «молодой», чем паллидарная, как в филогенетическом, так и в онтогенетическом отношении. Она впервые появилась лишь у птиц, у человека формируется к концу внутриутробного периода, несколько позже, чем паллидум (бледный шар).
Паллидарная система у рыб и стриопаллидарная у птиц являются высшими двигательными центрами, определяющими поведение. Стриопаллидарные аппараты обеспечивают диффузные, массовые движения тела, согласованную работу всей скелетной мускулатуры в процессе передвижения, плавания, полета и др. Жизнедеятельность высших животных, человека требует более тонкой дифференцировки работы двигательных центров. Потребности движений, носящих целенаправленный, производственный характер, уже не может удовлетворить экстрапирамидная система. В коре переднего мозга создается в процессе эволюции высший аппарат, координирующий согласованную функцию пирамидной и экстрапирамидной систем, руководящих выполнением сложных движений. Однако, перейдя в субординированное, «подчиненное» положение, стриопаллидарная система не утратила присущих ей функций.
Различие функционального значения стриатума (полосатое тело) и паллидума также определяется усложнением характера движений в процессе филогенеза. «Паллидарные» рыбы, передвигаясь во взвешенном в воде состоянии бросковыми, мощными движениями туловища, не должны «заботиться» об экономии мышечной энергии. Потребности такого двигательного акта вполне удовлетворяются работой паллидарной системы, обеспечивающей движения мощные и относительно точные, но энергетически расточительные, чрезмерные.
Птица, вынужденная в полете совершать огромную работу и не имеющая возможности вдруг прервать ее в воздухе, должна располагать более сложным двигательным аппаратом, расчетливо регулирующим качество и количество движений, - стриопаллидарной системой.
Развитие и включение двигательных систем в онтогенезе человека имеет ту же последовательность. Миелинизация стриарных путей заканчивается лишь к 5-му месяцу жизни, поэтому в первые месяцы паллидум является высшим моторным органом. Моторика новорожденных имеет явные «паллидарные» черты. Движения ребенка до 3-4 лет и движения молодого животного (щенка, олененка, зайчонка и т. д.) имеют большое сходство, заключающееся именно в излишестве, свободе, щедрости движений. Характерно богатство мимики ребенка, также свидетельствующее о некотором преобладании «паллидарности». С возрастом многие движения человека становятся все более привычными, автоматизированными, энергетически расчетливыми, скупыми. Улыбка перестает быть постоянным выражением лица. Степенность, солидность взрослых - это торжество стриатума над паллидумом, торжество трезвой расчетливости автоматизированных движений над расточительной щедростью еще «неопытной» стриопаллидарной системы ребенка.
Процесс обучения какому-либо движению, направленный на автоматизацию двигательного акта, имеет две фазы. Во время первой фазы, которую условно называют паллидарной, движение чрезмерно, излишне по силе и длительности сокращения мышц. Вторая фаза рационализации движения заключается в постепенной отработке оптимального для данного индивида энергетически рационального, максимально эффективного (при минимальной затрате сил) способа движения.
Стриопаллидарная система является важнейшим инструментом в выработке двигательных автоматизмов, которые у взрослого человека целенаправленно подбираются и реализуются высшими корковыми центрами праксиса. Относительная «паллидарность» ребенка обусловлена не только незрелостью стриатума, но и тем, что ребенок еще находится в стадии двигательного обучения в первой, паллидарной, фазе его. Чем старше ребенок, тем все большее число двигательных актов автоматизировано, т.е. перестало быть «паллидарными». Наряду с этим незрелость стриатума и преобладание «паллидарности» у новорожденных как бы заранее запланированы, поскольку именно «паллидарность» необходима ребенку в первый период внеутробной жизни.
Б. Различная степень развития двигательных актов продемонстрирована и с помощью электрофиологической методики. В широком возрастном диапазоне (5-17 лет) с использованием речевой инструкции, определяющей уровень мобилизационной готовности (оперативный покой, экстренное реагирование), методом регистрации ВП были выявлены особенности функционирования системы активации на разных этапах онтогенеза.
На I этапе (7-10 лет) определяются закономерные изменения в динамике регионарных ВП, связанные с мобилизационной готовностью. Наблюдается переход от генерализованной формы активации к регионарно-специфичной активации, обеспечивающей дифференцированность активационных процессов.
На II этапе (11-14 лет) отмечается снижение реактивности к внешним воздействиям. Анализ электрофизиологических показателей подростков, дифференцированных по полу и стадиям полового созревания, позволил установить, что наиболее выраженные, чем в предпубертатном периоде, изменения характерны для подростков, находящихся на начальных стадиях полового созревания (II-III стадии). На этом этапе онтогенеза утрачивается характерная для детей 9-10 лет регионарная специфичность, появляются генерализованные реакции. У части подростков введение мобилизационной готовности вызывает парадоксальную реакцию - снижение выраженности ВП. Эти изменения связаны с существенным сдвигом гормонального профиля организма, повышением интенсивности обменных процессов, что приводит к повышению активации ЦНС в состоянии покоя и обусловливает снижение реактивности к внешним воздействиям.
На III этапе, начиная с 14-15 лет, у подростков, находящихся на IV-V стадиях полового созревания, отмечаются восстановление реактивности активационной системы, приближение характера ее функционирования к зрелому типу.
Выполнение произвольных движений у детей 6-7 лет характеризуется достаточно четкой и дифференцированной динамикой активационных процессов, охватывающих фронтальные, центральные и затылочные зоны мозга, при этом можно выделить левополушарную асимметрию с большей реактивностью лобных и центральных зон левой гемисферы, высокую реактивность затылочных отделов. Реализация движений в этом возрасте происходит на фоне достоверного снижения выраженности медленно-волновой и высокочастотной активности при сохранении стабильности низкочастотного б1-ритма. Лобно-центральный контур повышения межцентрального взаимодействия отмечен у 9-10-летних детей не только при выполнении движений, но и при подготовке к ним, что является отражением морфофункционального созревания коры. По мере формирования навыка к 9-10 годам более значимыми становятся корреляции параметров межполушарной когерентности ритмов ЭЭГ лобных зон коры в отдельных диапазонах частот и эффективности движений. При этом более низкие значения когерентности межполушарного взаимодействия лобных зон в и и б1-диапазоне связаны с менее эффективной деятельностью. Это свидетельствует о повышении роли межполушарной интеграции в обеспечении деятельности в сравнении с детьми младшей возрастной группы [Безруких М.М., 1994].
Рассмотрим рефлексы и двигательные навыки, которыми овладевает ребенок в различном возрасте.
В. Рефлексы и двигательные навыки детей грудного возраста. 1. Созревание ЦНС и мускулатуры в первые месяцы жизни ребенка быстро прогрессирует, что увеличивает его двигательную активность. В свою очередь увеличение движений стимулирует рост и развитие не только мускулатуры, но и ЦНС за счет усиленного притока афферентных импульсов, активирующих нейроны всех двигательных систем организма, в том числе и мотонейронов.
2. Кровоснабжение мозга достаточно интенсивное. Это объясняется богатством капиллярной сети, которая после рождения продолжает увеличиваться. Обильное кровоснабжение мозга обеспечивает потребность быстро растущей нервной ткани в кислороде. На серое вещество мозга приходится 3/4-4/5 всего объема кровоснабжения.
3. Мышечный тонус. Повышенный тонус мышц-сгибателей, сформированный в антенатальном периоде (ортоническая поза), в 1-й мес жизни ребенка еще сохраняется. Однако на 2-м мес постепенно усиливается тонус мышц-разгибателей, и к 3-5 мес жизни тонус мышц-сгибателей и мышц-разгибателей уравнивается. Это обусловлено сбалансированными возбуждающими и тормозными влияниями вышележащих отделов ЦНС на б-мотонейроны.
4. Рефлексы ребенка грудного возраста частично сочетают в себе рефлексы новорожденного, а также вновь формирующиеся рефлексы, к которым относятся следующие:
• туловищно-выпрямительный рефлекс - выпрямление головы при соприкосновении стоп ребенка с опорой; формируется с конца 1-го месяца;
•рефлекс Ландау верхний - ребенок в положении на животе поднимает голову и верхнюю часть туловища, опираясь на плоскость руками, и удерживается в этой позе; формируется со 2-4-го месяца (рис. 5.1, а);
•рефлекс Ландау нижний - в положении на животе ребенок разгибает и поднимает ноги; формируется к 5-6 мес.
5. Двигательные навыки. Весь период развития двигательной активности грудного ребенка можно разделить на следующие четко очерченные этапы.
Период от 2 до 5 мес жизни. С 2-месячного возраста начинается развитие движения руками в направлении к видимому предмету. Рука встречаясь с предметом, захватывает его. В возрасте 3 мес начинается освоение навыка ползания (см. рис. 5.1, а), в 4-5 мес развивается способность переворачиваться сначала со спины на живот, затем обратно.
Период от 5 до 9 мес. С 5-месячного возраста ребенок при поддержке начинает переступать. В 6-7 мес он садится, встает на четвереньки - готовится к принятию вертикального положения. В возрасте 7-8 мес малыш может вставать, стоять (см. рис. 5.1, в), придерживаясь руками за опору, свободно ползать. Ползание развивает и укрепляет мускулатуру, способствует развитию дальнейшей координации движений. Однако у ребенка грудного возраста довольно быстро (в пределах 1,5 ч) развивается утомление.
Период от 9 до 12 мес. В этом возрасте устанавливается четкая координация сократительной активности мышц верхних конечностей. К 10 мес движения рук становятся точными, целенаправленными. Ребенок может осуществлять хватательные движения вслепую. Дети в 11 мес пьют из чашки, удерживая ее обеими руками, делают попытки есть ложкой, ставят один предмет на другой, надевают кольца на стержень. В этот период ребенок делает первые попытки к самостоятельной ходьбе. К концу 1-го года жизни малыш при поддержке начинает ходить. Началом самостоятельной ходьбы считается день, когда ребенок без посторонней поддержки проходит несколько шагов.

Рис. 5.1. Этапы развития двигательных навыков у ребенка грудного возраста. а - 3 мес; б-6-7 мес; в - 7-8 мес; г -10 мес
В развитии нейрофизиологических механизмов произвольной моторной активности первостепенную роль играют процессы динамического становления связей между функционально различными зонами коры большого мозга, а также между корой большого мозга и ближайшими подкорковыми структурами.
Г. Двигательные навыки детей других возрастных периодов. В процессе развития организма наиболее заметные изменения происходят в критические периоды. К ним относятся 1-й мес жизни, 3 года, 7 лет и период 12-16 лет. Во все периоды жизни ребенка, особенно в критические, ЦНС весьма ранима. Недостаточное или несбалансированное питание приводит к уменьшению количества нейронов, причем это уменьшение впоследствии не компенсируется. Весьма чувствительна ЦНС ребенка к инфекциям, интоксикациям, травмам, негативные последствия от которых могут наблюдаться на протяжении всей жизни.
Основные этапы развития двигательных навыков ребенка после завершения периода развития в грудном возрасте. На 2-м году жизни у детей появляется способность к бегу, перешагиванию через предметы, самостоятельному подъему по лестнице.
На 3-м году жизни ребенок начинает подпрыгивать на месте, переступать через препятствия высотой 10-15 см, самостоятельно одеваться, застегивать пуговицы, завязывать шнурки. На данном этапе ведущим уровнем ЦНС, обеспечивающим интеграцию механизмов произвольной моторики, становится теменно-премоторный уровень.
В возрасте 3-5 лет появляется игровая деятельность, скачкообразно ускоряющая развитие высшей нервной деятельности. Ребенок начинает рисовать, может обучаться игре на музыкальных инструментах. В 4-5 лет ему становятся доступными сложные движения: бег, прыжки, катание на коньках, гимнастические, акробатические упражнения. Следует помнить, что и в этом возрасте ребенок быстро устает. Для профилактики утомления необходимо время от времени изменять вид занятий (активный отдых).
В возрасте 6-7 лет отмечаются еще низкое качество движений, низкая скорость и продолжительная пауза между отдельными движениями в серии, равная по продолжительности самому движению. По мере возрастного развития и совершенствования движений к 9-10 годам значимо увеличивается скорость движения и более чем в 5 раз сокращается пауза, что свидетельствует об изменении функции текущего контроля. Это связано со снижением неопределенности, более четким выбором моторной задачи, а также с более адекватным функциональным обеспечением деятельности. Однако сложившаяся к 9-10 годам функциональная структура организации движений обеспечивает выполнение не столько высоких по качеству, сколько стабильных и быстрых движений. Это определяется доминантной двигательной задачей, ориентированной на высокую скорость, которая в большей мере связана с внешними условиями и требованиями обучения и в меньшей - с функциональными возможностями ребенка [Безруких М.М., 1994].
Дальнейшее наращивание количества и качества моторной активности ребенка связано с завершением первичного становления нейронного субстрата в составе кинестетического анализатора, совершенствованием внутрикорковых, корково-подкорковых проводящих путей, функциональных связей между двигательными, ассоциативными областями коры большого мозга, а также подкорковыми структурами. Оптимальный режим работы двигательного аппарата у человека устанавливается к 20-25 годам жизни.
5.2. ФИЗИОЛОГИЯ СПИННОГО МОЗГА
5.2.1. Структурно-функциональная характеристика

А. Сегменты. Спинной мозг представляет собой тяж длиной около 45 см у мужчин и около 42 см у женщин, имеет сегментарное строение (31-33 сегмента); каждый его участок связан с определенной частью тела. Спинной мозг включает пять отделов:
шейный (CI-CVIII), грудной (ThI-ThXII), поясничный (LI-LV), крестцовый (SI-SV) и копчиковый (COI-СOIII).
В процессе эволюции сформировалось два утолщения - шейное (сегменты, иннервирующие верхние конечности) и пояснично-крестцовое (сегменты, иннервирующие нижние конечности) как результат повышенной нагрузки на эти отделы спинного мозга. У некоторых видов животных подобных утолщений нет, например у змеи, которая передвигается благодаря равномерному участию в процессе движения всей мускулатуры тела. Тренировка любого органа обеспечивает прогрессивное его развитие не только в фило-, но и в онтогенезе, при этом, естественно, совершенствуется и функция. Орган, не получающий достаточной нагрузки, постепенно атрофируется. Соматические нейроны в указанных утолщениях спинного мозга наиболее крупные, их больше, в каждом корешке этих сегментов содержится больше нервных волокон, нежели в других корешках, они отличаются наибольшей толщиной.
Б. Нейроны спинного мозга. Общее количество нейронов - около 13 млн. (3% мотонейронов, 97% вставочных нейронов, относящихся также к вегетативной нервной системе). Их целесообразно классифицировать по нескольким признакам:
• по отделу нервной системы - нейроны соматической и вегетативной нервной системы;
•по назначению, т.е. по направлению информации, - эфферентные, афферентные, вставочные;
• по влиянию - возбуждающие и тормозные.
Эфферентные нейроны спинного мозга, относящиеся к соматической нервной системе, являются эффекторными, поскольку они иннервируют непосредственно рабочие органы - эффекторы (скелетные мышцы), их называют мотонейронами. Различают б- и г-мотонейроны. б-Мотонейроны иннервируют экстрафузальные мышечные волокна (скелетная мускулатура), их аксоны характеризуются высокой скоростью проведения возбуждения -70-1 20 м/с. б -Мотонейроны делят на две подгруппы: б1 - быстрые, иннервирующие белые мышечные волокна, их лабильность около 30 имп/с, и 02 - медленные, иннервирующие красные мышечные волокна, их лабильность составляет 10-15 имп/с. Низкая лабильность б -мотонейронов объясняется длительной следовой гиперполяризацией, сопровождающей ПД. На одном б -мотонейроне насчитывается до 20 000 синапсов: от кожных рецепторов, проприорецепторов и нисходящих путей вышележащих отделов ЦНС. г-Мотонейроны рассеяны среди б-мотонейронов, их активность регулируется нейронами вышележащих отделов ЦНС, они иннервируют интрафузальные мышечные волокна мышечного веретена (мышечного рецептора). При изменении сократительной деятельности интрафузальных волокон под влиянием г-Мотонейронов изменяется активность мышечных рецепторов. Импульсация от мышечных рецепторов активирует б-мотонейроны этой же мышцы и тормозит б -мотонейроны мышцы-антагониста, регулируя тем самым тонус скелетных мышц и двигательные реакции. Эти нейроны обладают высокой лабильностью -до 200 имп/с, но их аксонам свойственна более низкая скорость проведения возбуждения - 10-40 м/с.
Афферентные нейроны соматической нервной системы локализуются в спинальных ганглиях и ганглиях черепных нервов. Их отростки, проводящие афферентную импульсацию от мышечных, сухожильных и кожных рецепторов, вступают в соответствующие сегменты спинного мозга и образуют синаптические контакты либо непосредственно на б-мотонейронах (возбуждающие синапсы), либо на вставочных нейронах, которые могут быть возбуждающими и тормозными.
Вставочные (промежуточные) нейроны устанавливают связь с мотонейронами спинного мозга, с чувствительными нейронами.
Они также обеспечивают связь спинного мозга с ядрами ствола мозга, а через них - с корой большого мозга. Они могут быть как возбуждающими, так и тормозными, им присуща высокая лабильность - до 1000 имп/с.
Ассоциативные нейроны образуют собственный аппарат спинного мозга, устанавливающий связь между сегментами и внутри сегментов. Ассоциативный аппарат спинного мозга участвует в координации позы, тонуса мышц, движений конечностей и туловища.
Ретикулярная формация спинного мозга состоит из тонких перекладин серого вещества, пересекающихся в различных направлениях, ее нейроны имеют многочисленные отростки. Ретикулярная формация обнаруживается на уровне шейных сегментов между передними и задними рогами, а на уровне верхнегрудных сегментов - между боковыми и задними рогами в белом веществе, примыкающем к серому.
Нейроны вегетативной нервной системы являются также вставочными; нейроны симпатической нервной системы расположены в боковых рогах грудного, поясничного и частично шейного отделов спинного мозга (CVIII-LII) и являются фоново-активными, частота их разрядов - 3-5 имп/с. Нейроны парасимпатического отдела вегетативной нервной системы локализуются в сакральном отделе спинного мозга (82-84) и также фоново-активны.
В. Совокупность нейронов образует различные нервные центры. В спинном мозге находятся центры регуляции большинства внутренних органов и скелетной мускулатуры. Различные центры симпатического отдела вегетативной нервной системы локализованы в таких сегментах, как центр зрачкового рефлекса – CVIII-TII, регуляции деятельности сердца - ThI-ThV, слюноотделения - ThII-ThIV, регуляции функции почек – ThV-LIII. Сегментарно расположены центры, регулирующие функции потовых желез и сосудов, гладких мышц внутренних органов, центры пиломоторных рефлексов. Парасимпатическую иннервацию получают из спинного мозга (SII-SIV) все органы малого таза: мочевой пузырь, часть толстой кишки ниже ее левого изгиба, половые органы. У мужчин парасимпатическая иннервация обеспечивает рефлекторный компонент эрекции, у женщин - сосудистые реакции клитора, влагалища.
Центры управления скелетной мускулатурой находятся во всех отделах спинного мозга и иннервируют по сегментарному принципу скелетную мускулатуру шеи (CI-CIV), диафрагмы (СIII-CV), верхних конечностей (CV-ThII), туловища (ThIII-LI) и нижних конечностей (LII-SV).
При повреждении определенных сегментов спинного мозга или его проводящих путей развиваются специфические двигательные нарушения и расстройства чувствительности.
Каждый сегмент спинного мозга участвует в чувствительной иннервации трех дерматомов. Имеется также дублирование двигательной иннервации скелетных мышц, что повышает надежность.
Г. Функции спинного мозга. Различают проводниковую и рефлекторную функции.
Проводниковая функция
Проводниковая функция осуществляется с помощью нисходящих и восходящих путей.
Афферентная информация поступает в спинной мозг через задние корешки, эфферентная импульсация и регуляция функций различных органов и тканей организма осуществляется через передние корешки (закон Белла - Мажанди). Каждый корешок представляет собой множество нервных волокон. Например, дорсальный корешок кошки включает 12 тыс., а вентральный - 6 тыс. нервных волокон.
Все афферентные входы в спинной мозг несут информацию от трех групп рецепторов: 1) от кожных рецепторов - болевых, температурных, прикосновения, давления, вибрации; 2) от проприорецепторов - мышечных (мышечных веретен), сухожильных (рецепторов Гольджи), надкостницы и оболочек суставов; 3) от рецепторов внутренних органов - висцерорецепторов (механо- и хеморецепторов разновидностью последних являются осморецепторы).
Медиатором первичных афферентных нейронов, локализующихся в спинальных ганглиях, является, по-видимому, субстанция Р.
Значение афферентной импулъсации, поступающей в спинной мозг, заключается в следующем:
· участие в координационной деятельности ЦНС по управлению скелетной мускулатурой. При выключении афферентной импульсации из рабочего органа управление им становится несовершенным;
· участие в процессах регуляции функций внутренних органов;
· поддержание тонуса ЦНС. При выключении афферентной импульсации наступает уменьшение суммарной тонической активности ЦНС, угнетение ее деятельности;
· афферентная импульсация несет информацию об изменениях окружающей среды.
Основные проводящие пути спинного мозга представлены в табл. 5.1.
Иерархия функций отделов мозга такова, что вышележащие его отделы управляют нижележащими, осуществляющими и собственные — более простые - реакции. Изучать их следует в восходящем ряду - от более простых к более сложным двигательным реакциям.
Таблица 5.1
Основные проводящие пути спинного мозга
Проводящие пути
Физиологическое значение


Восходящие (чувствительные) пути



Тонкий пучок (пучок Голля), проходит в задних столбах, импульсация поступает в кору
Осознаваемая импульсация от опорно-двигательного аппарата


Клиновидный пучок (пучок Бурдаха), проходит в задних столбах, импульсация поступает в кору
То же


Дорсальный спинно-мозжечковый (Флексига)
Импульсы от проприорецепторов мышц, сухожилий, связок; импульсация неосознаваемая


Передний спинно-мозжечковый (Говерса)
То же


Латеральный спинно-таламический
Болевая и температурная чувствительность


Передний спинно-таламический
Тактильная чувствительность, прикосновение. давление


Нисходящие (двигательные) пути



Латеральный кортико-спинальный (пирамидный)
Импульсы к скелетным мышцам, произвольные движения


Передний кортико-спинальный (пирамидный)
То же


Красноядерно-спинномозговой (Монакова), проходящий в боковых столбах
Импульсы, поддерживающие тонус скелетных мышц


Нисходящие (двигательные) пути



Ретикулоспинальный, проходящий в передних столбах

Импульсы, поддерживающие тонус скелетных мышц с помощью возбуждающих и тормозных влияний на б- и г-мотонейроны, а также регулирующие состояние спинальных вегетативных центров

Вестибулоспинальный, проходящий в передних столбах

Импульсы, обеспечивающие поддержание позы и равновесия тела

Тектоспинальный, проходящий в передних столбах

Импульсы, обеспечивающие осуществление зрительных и слуховых двигательных рефлексов (рефлексов четверохолмия)


5.2.3. Двигательные системы спинного мозга

Двигательные системы спинного мозга обеспечивают реализацию влияний центров головного мозга в управлении опорно-двигательным аппаратом, а также осуществляют собственные рефлексы и регуляцию мышечного тонуса туловища, шеи и конечностей. Если в качестве объединяющего стержня рефлексов конечностей принять характер ответной реакции, то все их можно объединить в четыре группы: 1) сгибательные, 2) разгибательные, 3) ритмические и 4) рефлексы позы.
А. Сгибательные рефлексы бывают фазными и тоническими. Фазные рефлексы - это однократное сгибание конечности при однократном раздражении кожи или проприорецепторов. Одновременно с возбуждением мотонейронов мышц-сгибателей происходит реципрокное торможение мотонейронов мышц-разгибателей. Рефлексы, возникающие с рецепторов кожи, являются полисинаптическими, они имеют защитное значение (рис. 5.2). Например, погружение в слабый раствор серной кислоты лапки спинальной лягушки (лягушка, у которой удален головной мозг), подвешенной на крючке, или щипок кожи конечности пинцетом вызывает отдергивание конечности вследствие сгибания ее в коленном суставе, а при более сильном раздражении - и в тазобедренном суставе.

Рис. 5.2. Рефлексы нижних конечностей.
А - дуга сгибательного (защитного) рефлекса; Б - дута перекрестного разгибательного рефлекса; В - коленные суставы с мышцами; Г - сегмент спинного мозга; 1 - раздражение кожных рецепторов; 2 - афферентный путь ( ^);
3 - эфферентные пути (v) от б-мотонейронов центров сгибания (С) и разгибания (Р). Вставочные нейроны: О——< тормозные, О——< возбуждающие

Рефлексы, возникающие с проприорецепторов, могут быть моносинаптическими и полисинаптическими, например шейные позотонические (постуральные) рефлексы. Фазные рефлексы с проприорецепторов участвуют в формировании акта ходьбы. По степени выраженности фазных сгибательных и разгибательных рефлексов определяют состояние возбудимости ЦНС и возможные ее нарушения. Тонические сгибательные (как и разгибательные) рефлексы возникают при длительном растяжении мышц, их главное назначение - поддержание позы. Тоническое сокращение скелетных мышц является фоновым для всех двигательных актов, осуществляемых с помощью фазических сокращений мышц.
Выделяют несколько сгибательных фазных рефлексов: локтевой и ахиллов - проприоцептивные рефлексы, подошвенный - кожный рефлекс. Локтевой рефлекс выражается в сгибании руки в локтевом суставе при ударе молоточком по сухожилию двуглавой мышцы плеча (m. biceps brachii) (при вызове рефлекса рука должна быть слегка согнута в локтевом суставе), его дуга замыкается в шейных сегментах спинного мозга CV-CVI. Ахиллов рефлекс выражается в подошвенном сгибании стопы в результате сокращения трехглавой мышцы голени при ударе молоточком по ахиллову сухожилию, рефлекторная дуга замыкается на уровне крестцовых сегментов SI-SII, Подошвенный рефлекс - сгибание стопы и пальцев при штриховом раздражении подошвы, дуга рефлекса замыкается также на уровне SI-SII.
Б. Разгибательные рефлексы, как и сгибательные, бывают фазными и тоническими, возникают с проприорецепторов мышц-разгибателей, являются моносинаптическими. Фазные рефлексы возникают в ответ на однократное раздражение мышечных рецепторов, например при ударе по сухожилию четырехглавой мышцы ниже надколенной чашечки. При этом возникает коленный разгибательный рефлекс вследствие сокращения четырехглавой мышцы: мотонейроны мышц-сгибателей во время разгибательного рефлекса тормозятся - это постсинаптическое реципрокное торможение с помощью вставочных тормозных клеток Реншоу (рис. 5.3). Рефлекторная дуга коленного рефлекса замыкается в поясничных сегментах LII -LIV. Фазные разгибательные рефлексы, как и сгибательные, участвуют в формировании акта ходьбы.


Тонические разгибательные рефлексы представляют собой длительное сокращение мышц-разгибателей при длительном растяжении их сухожилий. Их роль - поддержание позы. В положении стоя тоническое сокращение мышц-разгибателей предотвращает сгибание нижних конечностей и сохраняет вертикальную естественную позу. Тоническое сокращение мышц спины удерживает туловище в вертикальном положении, обеспечивая осанку человека. Тонические рефлексы в ответ на растяжение мышц (сгибателей и разгибателей) называют также миотатическими.
В. Рефлексы позы - перераспределение мышечного тонуса, возникающее при изменении положения тела или отдельных его частей. Рефлексы позы осуществляются с участием различных отделов ЦНС. На уровне спинного мозга замыкаются шейные позные рефлексы, наличие которых установил голландский физиолог Р.Магнус (1924) в специальных опытах на кошке. Существуют две разновидности этих рефлексов - возникающие при наклоне и при поворотах головы.
При наклоне головы вниз (кпереди) увеличивается тонус мышц -сгибателей передних конечностей и тонус мышц - разгибателей задних конечностей, в результате чего передние конечности сгибаются, а задние разгибаются. При наклоне головы вверх (кзади) появляются противоположные реакции - передние конечности разгибаются вследствие увеличения тонуса их мышц-разгибателей, а задние - сгибаются вследствие повышения тонуса их мышц-сгибателей. Эти рефлексы возникают с проприорецепторов мышц шеи и фасций, покрывающих шейный отдел позвоночника. В условиях естественного поведения они увеличивают шансы достать пищу, находящуюся выше или ниже головы животного (рис. 5.4).
Вторая группа шейных позных рефлексов возникает с тех же рецепторов, но только при поворотах или наклонах головы вправо или влево. При этом повышается тонус мышц – разгибателей обеих конечностей на стороне, куда повернута голова, и повышается тонус мышц-сгибателей на противоположной стороне. Рефлекс направлен на сохранение позы, которая может быть нарушена вследствие изменения положения центра тяжести после поворота головы. Центр тяжести смещается в сторону поворота головы - именно на этой стороне повышается тонус мышц - разгибателей обеих конечностей (рис. 5.5).


Рис. 5.4. Позные шейные рефлексы у кошки с удаленным вестибулярным аппаратом.
a- до изменения положения головы; б- при пассивных поднимании (^) и опускании (v) головы

Рис. 5.5. Изменение тонуса мышц конечностей при наклоне головы вправо (а) и влево (б)

Г. Ритмические рефлексы - многократное повторное сгибание и разгибание конечностей. Примерами могут быть рефлексы потирания у лягушки, чесательный и шагательный рефлексы у собаки. Рефлекс потирания заключается в том, что после смазывания кожи бедра раствором серной кислоты спинальная лягушка многократно потирает этот участок - пытается освободиться от раздражителя. Слабое раздражение кожи боковой поверхности тела у собаки вызывает почесывание этого участка задней конечностью - чесателъный рефлекс (аналог рефлекса потирания у лягушки). Шагательный рефлекс наблюдают у спинальной собаки, подвешенной с помощью лямок в станке.
5.2.4. Механизм шагательного рефлекса

А. Рефлекс возникает при однократном раздражении кожи конечности. Он выражается в сгибании этой конечности с одновременным дополнительным разгибанием противоположной задней конечности - перекрестный разгибательный рефлекс (см. рис. 5.2, Б). Затем согнутая конечность разгибается, опускается вниз, разогнутая - сгибается и поднимается вверх и т. д. Конечности не касаются опоры (собака фиксирована в станке с помощью лямок) и без дополнительного раздражения продолжают ритмично поочередно сгибаться и разгибаться - «шагать» в воздухе. Рефлекс может продолжаться часами, так как устранено влияние коры большого мозга. При неповрежденных сегментах, иннервирующих передние конечности (Cv-ThII), и более длительном раздражении задней конечности в рефлекс вовлекаются передние конечности. Это наблюдение свидетельствует о межсегментарной связи на уровне спинного мозга, играющей важную роль в ритмических движениях конечностей. Поочередное сокращение и расслабление мышц - сгибателей и разгибателей осуществляются в результате взаимодействия процессов возбуждения и торможения в соответствующих центрах спинного мозга под влиянием импульсов, поступающих в мозг от проприорецепторов.
Б. Особая роль проприорецепторов в осуществлении шагательного рефлекса определяется их расположением. Мышечные веретена (мышечные рецепторы) расположены параллельно скелетной мышце - своими концами они крепятся к соединительнотканной оболочке (перимизий) пучка экстрафузальных (fusus - веретено) мышечных волокон при помощи напоминающих сухожилия полосок соединительной ткани длиной 0,5-1,0 мм (рис. 5.6). Поэтому, когда мышца расслабляется (удлиняется), растягиваются и мышечные рецепторы, что и ведет к их возбуждению (см. рис. 5.6, а).
Мышечный рецептор состоит из нескольких поперечнополосатых интрафузальных мышечных волокон, окруженных соединительнотканной капсулой. Длина волокон равна 4-7 мм, толщина составляет 15-30 мкм.
Длина экстрафузальных мышечных волокон - от нескольких миллиметров до многих сантиметров, толщина составляет 50-100 мкм. Вокруг средней части мышечного веретена несколько раз обвивается окончание одного афферентного волокна. Многие мышечные веретена иннервируются и другим - более тонким - афферентным волокном, которое обвивает в виде спирали периферические участки мышечного рецептора. Импульсы от мышечных рецепторов возбуждают нейроны своего центра (гомонимные нейроны) и тормозят нейроны центра-антагониста. Ближе к концам мышечного веретена подходят двигательные нервные окончания, являющиеся аксонами г-мотонейронов спинного мозга. Их импульсация вызывает сокращение интрафузальных мышечных волокон (мышечных волокон рецептора), что ведет к возбуждению рецепторов.

Рис. 5.6. Схема, отражающая процессы возбуждения б-мотонейронов спинного мозга и их торможения с помощью вставочных тормозных нейронов во время сокращения и расслабления скелетной мышцы. 1 - мышечные рецепторы (мышечные веретена); 2 - сухожилия мышцы и рецепторы (рецепторы Гольджи); 3 - полусегмент спинного мозга; а - мышца растянута и расслаблена - возбуждаются мышечные рецепторы (1); б - мышца сокращена, напряжена и укорочена - возбуждаются сухожильные рецепторы (2);
сплошные линии - импульсация выражена; пунктирные линии - импульсация отсутствует

Сухожильные рецепторы (рецепторы Гольджи) заключены в соединительнотканную капсулу и локализуются в сухожилиях скелетных мышц вблизи сухожильно-мышечного соединения. Рецепторы представляют собой безмиелиновые окончания толстого миелинового афферентного волокна (подойдя к капсуле рецепторов Гольджи, это волокно теряет миелиновую оболочку и делится на несколько окончаний). Сухожильные рецепторы крепятся к скелетной мышце последовательно, что обеспечивает их раздражение при натяжении сухожилия (см. рис. 5.6, б). Поэтому сухожильные рецепторы посылают в мозг информацию о том, что мышца сокращена (напряжено и сухожилие), а мышечные рецепторы - о том, что мышца расслаблена и удлинена. Импульсы от сухожильных рецепторов тормозят нейроны своего центра и возбуждают нейроны центра-антагониста (у мышц-сгибателей это возбуждение выражено слабее).
В. Элемент шагательного рефлекса - поочередное сокращение и расслабление скелетной мышцы под влиянием импульсов от проприорецепторов, поступающих в свой центр.
Когда мышца (сгибатель или разгибатель) расслаблена и удлинена, возбуждаются мышечные веретена, импульсы от которых поступают к своим б-мотонейронам спинного мозга и возбуждают их (рис. 5.6, а). Далее б-мотонейроны посылают импульсы к этой же скелетной мышце, вызывая ее сокращение. Как только мышца сократилась (рис. 5.6, б), возбуждение мышечных веретен прекращается или сильно ослабляется (они уже не растянуты), но начинают возбуждаться сухожильные рецепторы. Импульсы от рецепторов также поступают в первую очередь в свой центр спинного мозга, но к тормозным клеткам Реншоу. Возбуждение тормозных клеток вызывает торможение б-мотонейронов этой же скелетной мышцы, вследствие чего она расслабляется. Однако ее расслабление (удлинение) снова ведет к возбуждению мышечных веретен и б-мотонейронов - мышца вновь сокращается. Вследствие ее сокращения возбуждаются сухожильные рецепторы и тормозные клетки в спинном мозге, что вновь ведет к расслаблению скелетной мышцы и т.д. Мышца поочередно сокращается и расслабляется в результате поступления к ее мотонейронам импульсов от собственных рецепторов. Описанные процессы в равной степени относятся и к мышце-сгибателю, и к мышце-разгибателю. При этом расслабление скелетной мышцы запускает механизмы ее сокращения, а сокращение скелетной мышцы активирует механизмы, расслабляющие мышцу.

Рис. 5.7. Рефлекторные дуги шагательного рефлекса. А - конечность согнута; Б - контралатеральная конечность разогнута;
В - коленные суставы с мышцами; Г - полусегменты спинного мозга;
1 - сухожилия и их рецепторы (рецепторы Гольджи); 2 - мышечные рецепторы (мышечные веретена); ^ афферентные пути от проприорецепторов;
vэфферентные пути от центров сгибания (С) и разгибания (Р);
О—< тормозные вставочные нейроны

Для обеспечения поочередного сгибания и разгибания конечностей при шагательном рефлексе мышцы-сгибатели и мыщцы-разгибатели должны сокращаться и расслабляться последовательно друг за другом. На одноименной стороне при возбуждении центра мышцы-сгибателя тормозится центр мышцы-разгибателя. Если на одной ноге сокращены сгибатели (рис. 5.7, А), на другой ноге должны сокращаться разгибатели (рис. 5.7, Б), что обеспечивается поступлением афферентных импульсов от мышечных и сухожильных рецепторов и поочередным возбуждением и торможением центров сгибателей и разгибателей.
5.2.5. Регуляция тонуса мышц

Тонус исследуют после поперечной перерезки спинного мозга. Сразу после перерезки в эксперименте или после травматического повреждения его у человека наблюдаются мышечная атония и отсутствие рефлексов (спинальный шок). Главная причина спинального шока - выключение влияния на спинной мозг вышележащих отделов ЦНС (повторная перерезка спинного мозга ниже первой после исчезновения шока повторно шок не вызывает). Спинальный шок у лягушек длится несколько минут, у собак - несколько дней, у человека - около 2 мес. После исчезновения спинального шока тонус мышц, иннервируемых посредством сегментов спинного мозга, которые находятся ниже перерезки (повреждения), резко повышается. Сгибательные и разгибательные рефлексы нижних конечностей у человека в случае повреждения спинного мозга усиливаются. Механизм повышения тонуса мышц нижних конечностей в случае повреждения спинного мозга (после окончания спинального шока) отражает рис. 5.8.
Гипертонус имеет рефлекторную природу - он развивается вследствие афферентной импульсации от мышечных рецепторов. Деафферентация, например, нижней конечности у лягушки ведет к исчезновению тонуса у нее (опыт Бронжеста).
Афферентную импульсацию от мышечных рецепторов по задним корешкам спинного мозга, которая ведет к возбуждению б-мотонейронов спинного мозга и сокращению скелетных мышц, обеспечивают три фактора:
• растяжение и возбуждение мышечных рецепторов под влиянием сил гравитации конечности;
• спонтанная активность мышечных рецепторов;


• спонтанная активность г-мотонейронов, которая реализуется следующим образом. Возбуждение г-мотонейронов вызывает возбуждение и сокращение иннервируемых ими интрафузальных мышечных волокон, в результате чего увеличивается натяжение мышечного рецептора, поскольку концы его зафиксированы на скелетной мышце. Вследствие натяжения мышечного веретена раздражаются и возбуждаются его афферентные окончания (проприорецепторы), импульсы от которых поступают к б-мотонейронам, возбуждая их. В свою очередь б-мотонейроны посылают импульсы к скелетной мышце и вызывают ее постоянное (тоническое) сокращение.
Мы рассмотрели рефлекторную и проводниковую функции изолированного спинного мозга. В нормальных условиях деятельность спинного мозга контролируется вышележащими отделами ЦНС посредством импульсации ко всем его нервным элементам.
5.3. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СТВОЛА МОЗГА

В этот отдел мозга физиологи включают продолговатый мозг, мост и средний мозг.
А. В стволе мозга находятся ядра III-XII пар черепных нервов.
Ядра глазодвигательного нерва (п. oculomotorius, III); ядра блокового нерва (п. trochlearis, IV); ядра отводящего нерва (п. abducens, VI) управляют движением глаз в различных направлениях. Ядра тройничного нерва (п. trigeminus, V) иннервируют жевательную мускулатуру и вызывают движение нижней челюсти. Двигательное ядро лицевого нерва (п. facialis, VII) вызывает сокращение мимической мускулатуры. К ядрам преддверно-улиткового нерва (п. vestibulocochlearis, VIII) относятся: вестибулярные ядра, которые получают импульсы от вестибулорецепторов и участвуют в регуляции позы и равновесия тела; улитковые ядра, иннервирующие слуховые рецепторы. Ядра языкоглоточного нерва (п. glossopharyngeus, IX), содержащего двигательные, чувствительные и секреторные парасимпатические волокна.
Ядра блуждающего нерва (п. vagus, X) регулируют функции внутренних органов (парасимпатический нерв). Возбуждение двигательного ядра добавочного нерва (п. accessorius, XI) вызывает сокращение грудино-ключично-сосцевидной и трапециевидной мышц. Двигательное ядро подъязычного нерва (п. hypoglossus, XII) иннервирует мышцы языка.
Б. Двигательные системы продолговатого мозга и моста. Из перечисленных ядер продолговатый мозг включает ядра IX-XII пар черепных нервов, а также образования ретикулярной формации. Мост представлен ядрами V-VIII пар черепных нервов, а также ретикулярной формацией. В стволе мозга проходят восходящие и нисходящие нервные пути. Важную роль в регуляции тонуса мышц туловища и конечностей играют вестибулярные ядра, основным из которых является ядро Дейтерса.
1. Рефлексы, дуги которых замыкаются в продолговатом мозге и мосту, можно объединить в три основные группы:
• жизненно важные вегетативные: дыхания, сердечно-сосудистой системы, пищеварительной системы, глотания;
• защитные рефлексы: чиханья, кашля, мигания, слезоотделения, рвотный;
• соматические рефлексы, участвующие в регуляции тонуса и двигательной активности мышц туловища, конечностей, шеи, лица.
Рефлексы любого отдела ЦНС изучают после отделения вышележащих отделов мозга. У бульварного животного, у которого произведена перерезка ствола мозга между мостом и средним мозгом, сохраняются все рефлексы, в возникновении которых играют роль спинной мозг, а также указанные черепные нервы и их ядра. Особо важное значение в регуляции тонуса мышц туловища и конечностей имеет ядро Дейтерса. С его помощью осуществляется, в частности, лабиринтный рефлекс позы - повышение тонуса мышц-разгибателей при положении животного вверх ногами. Рефлекс в натуральных условиях направлен на сохранение позы. Он возникает с рецепторов вестибулярного аппарата (при его разрушении рефлекс исчезает). Проприорецепторы мышц шеи при изучении этого рефлекса должны быть выключены, что достигается путем гипсования шеи (исключаются сгибание шеи и раздражение проприорецепторов мышц шеи).
2. Общее состояние бульбарного животного характеризуется тем, что произвольные движения с помощью мышц, иннервируемых отделами ЦНС, расположенными ниже перерезки, невозможны, тонус мышц-разгибателей сильно повышен, поэтому конечности напряженно выпрямлены, спина вогнута. Если такое животное поставить на ноги, оно будет стоять, как «скамейка». Такое состояние называют децеребрационной ригидностью; оно является следствием дисбаланса возбуждающих и тормозных влияний ядер ствола мозга на б- и г-мотонейроны спинного мозга, а также импульсации от мышечных рецепторов (рис. 5.9).

стр. 1
(всего 2)

СОДЕРЖАНИЕ

>>