Миелиновые и безмиелиновые нервные волокна

Миелиновые волокна. Часть нервных волокон в ходе эмбриогенеза подвергается миелинизации: леммоциты (шванновские клетки) сначала прикасаются к аксону, а затем окутывают его. Мембрана леммоцита наматывается на аксон наподобие рулета, образуя многослойную спираль (миелиновую оболочку). Миелиновая оболочка не является непрерывной – по всей длине нервного волокна на равном расстоянии друг от друга в ней имеются небольшие перерывы (перехваты Ранвье). В области перехватов аксон лишен миелиновой оболочки.

Безмиелиновые волокна. Миелинизация других волокон заканчивается на ранних стадиях эмбрионального развития. В леммоцит погружается один или несколько аксонов; он полностью или частично окружает их, но не образует многослойной миелиновой оболочки.

Механизм проведения возбуждения по безмиелиновым нервным волокнам

В состоянии покоя вся внутренняя поверхность мембраны нервного волокна несет отрицательный заряд, а наружная сторона мембраны – положительный. Электрический ток между внутренней и наружной стороной мембраны не протекает, т.к. липидная мембрана имеет высокое электрическое сопротивление.Во время развития потенциала действия в возбужденном участке мембраны происходит реверсия заряда. На границе возбужденного и невозбужденного участка начинает протекать электрический ток. Электрический ток раздражает ближайший участок мембраны и приводит его в состояние возбуждения, в то время как ранее возбужденные участки возвращаются в состояние покоя. Таким образом, волна возбуждение охватывает все новые участки мембраны нервного волокна.

Механизм проведения возбуждения по миелиновым нервным волокнам

В миелинизированном нервном волокне участки мембраны, покрытые миелиновой оболочкой, являются невозбудимыми; возбуждение может возникать только участках мембраны, расположенных в области перехватов Ранвье.При развитии ПД в одном из перехватов Ранвье происходит реверсия заряда мембраны. Между электроотрицательными и электроположительными участками мембраны возникает электрический ток, который раздражает соседние участки мембраны. Однако, в состояние возбуждения может перейти только участок мембраны в области следующего перехвата Ранвье. Таким образом, возбуждение распространяется по мембране скачкообразно (сальтаторно) от одного перехвата Ранвье к другому.

ФУНКЦИИ НЕЙРОНА

Материалом для построения ЦНС и ее проводников является нервная ткань, состоящая из двух компонентов - нервных клеток (нейронов) и нейроглии. Основными функциональными элементами ЦНС являются нейроны: в теле животных их содержится примерно 50 млрд, из которых лишь небольшая часть расположена на периферических участках тела.

Нейроны составляют 10 - 15 % общего числа клеточных элементов в нервной системе. Основную же часть ее занимают клетки нейроглии. У высших животных в процессе постнатального онтогенеза дифференцированные нейроны не делятся (так считалось ранее). Нейроны существенно различаются по форме (пирамидные, круглые, звездчатые, овальные), размерами (от 5 до 150 мкм), количеству отростков, однако они имеют и общие свойства.

В некоторых отделах мозга имеются нейроны, которые вырабатывают гранулы секрета мукопротеидной или гликопротеидной природы. Они обладают одновременно физиологическими признаками нейронов и железистых клеток. Эти клетки называются нейросекреторными. Функция нейронов заключается в восприятии сигналов от рецепторов или других нервных клеток, хранении и переработке информации и передаче нервных импульсов к другим клеткам - нервным, мышечным или секреторным. Соответственно имеет место специализация нейронов. Их подразделяют на 3 группы: чувствительные (сенсорные, афферентные) нейроны, ассоциативные (промежуточные,вставочные) нейроны, двигательные (эффекторные) нейроны.

Нейроглия. Основную массу нервной ткани составляют глиальные элементы, выполняющие вспомогательные функции и заполняющие почти все пространство между нейронами. Анатомически среди них различают клетки нейроглии в мозге (олигодендроциты и астроциты) и шванновские клетки в периферической нервной системе. Олигодендроциты и шванновские клетки формируют вокруг аксонов миэлиновые обалочки. Между глиальными клетками и нейронами имеются щели шириной 15 - 20 нм, которые сообщаются друг с другом, образуя интерстициальное пространство, заполненное жидкостью. Через это пространство происходит обмен веществ между нейроном и глиальными клетками, а также снабжение нейронов кислородом и питательными веществами путем диффузии. Глиальные клетки, по-видимому, выполняют лишь опорные и защитные функции в ЦНС, а не являются, как предполагалось, источником их питания или хранителями информации.

По свойствам мембраны глиальные клетки отличаются от нейронов: они пассивно реагируют на электрический ток, их мембраны не генерируют распространяющегося импульса. Между клетками нейроглии существуют плотные контакты (участки низкого сопротивления), которые обеспечивают прямую электрическую связь. Мембранный потенциал глиальных клеток выше, чем у нейронов, и зависит главным образом от концентрации ионов К+ в среде.

Когда при активной деятельности нейронов во внеклеточном пространстве увеличивается концентрация К+, часть его поглощается деполяризованными глиальными элементами. Эта буферная функция глии обеспечивает относительно постоянную внеклеточную концентрацию К+. Клетки глии - астроциты - расположены между телами нейронов и стенкой капилляров, их отростки контактируют со стенкой последних. Эти периваскулярные отростки являются элементами гематоэнцефалического барьера. Клетки микроглии выполняют фагоцитарную функцию, число их резко возрастает при повреждении ткани мозга.

 

Физиология синапсов.

Химические синапсы имеют относительно широкую синаптическую щель (20 - 50 нм) и высокое сопротивление синаптических мембран. В пресинаптической нервной терминали находится большое число пузырьков - синаптических везикул - диаметром около 50 нм, заполненных медиатором.

Механизм передачи возбуждения в химических возбуждающих синапсах. В синапсах с химической передачей возбуждение передается с помощью медиаторов (посредников). Медиат оры - это химические вещества, которые обеспечивают передачу возбуждения в синапсах. Медиаторы в зависимости от их природы делятся на несколько групп:

• моноамины (ацетилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин и др.);

• Аминокислоты (гамма-аминомасляная кислота - ГАМК, глутаминовая кислота, глицин и др.);

• нейропептиды (вещество Р, эндорфины, нейротензин, АКТГ, ангиотензин, вазопрессин, соматостатин и др.). Медиатор в молекулярном виде находится в пузырьках пресинаптического утолщения (синаптической бляшке), куда он поступает:

• из околоядерной области нейрона с помощью быстрого аксонального транспорта (аксотока);

• за счет синтеза медиатора, протекающего в синаптических терминалях из продуктов его расщепления;

• за счет обратного захвата медиатора из синаптической щели в неизменном виде.

Многообразие медиаторных систем. Принцип Дейла: один нейрон, как правило, синтезирует и использует один медиатор во всех своих терминалях. Возможно использование нейроном нескольких медиаторов (комедиаторы), но, по-видимому, в одном и том же сочетании (в настоящее время этот принцип оспаривается, о медиаторных системах см. ниже). Как следствия принципа Дейла можно рассматривать следующие положения:

1) Знак синаптического действия определяется не медиатором, а свойствами рецепторов на постсинаптической клетке.

2) Рецепторы на клетках, являющихся постсинаптическими по отношению к одному пресинаптическому нейрону, могут фармакологически различаться и могут контролировать разные ионные каналы.

3) Одна постсинаптическая клетка может иметь более одного типа рецепторов для данного медиатора, и каждый из этих рецепторов может контролировать отличный от других механизм ионной проводимости.

Вследствие этих трех свойств клетки могут оказывать противоположные синаптические действия как на различные постсинаптические клетки, так и на одну и ту же.

Медиаторы, выявленные к настоящему времени у животных и человека, составляют довольно разнородную группу веществ. Моноамины: ацетилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин (5-гидрокситриптамин, 5-ГТ), гистамин. Аминокислоты: гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глутаминовая кислота, глицин, таурин и др. Нейропептиды: метэнкефалин, лейэнкефалин, эндорфин, окситоцин, вазопрессин и др. Соответствующие синапсы называют, например, холинэргические, серотонинэргические, норадренэргические и т.д. Большому количеству медиаторов соответствует большое количество постсинаптических рецепторов: холинорецетпоры, адренорецепторы, ГАМК-рецепторы и т.д. В пределах каждой группы рецепторов существует разнообразие их подтипов, например никотиновые и мускариновые холинорецепторы (Н-ХР и М-ХР, соответственно).

Разделение рецепторов проводится на основе различий их фармакологических свойств: разные агонисты (вещества, имитирующие эффект медиатора) и антагонисты (вещества, препятствующие проявлению эффекта медиатора). Например, для Н-ХР агонист - никотин, антагонисты - тубокурарин (выделен из яда кураре), бунгаротоксин (выделен из яда змеи рода Bungarus). По агонистам различают три типа рецепторов глутамата: квисквалатные(AMPA-тип), каинатные и NMDA (N-метил-D-аспартат) -типа. Некоторые рецепторы медиаторов (в частности, адренорецепторы и рецепторы многих нейропептидов) связаны не с ионными каналами (ионотропные рецепторы), а с мембранным ферментом (метаботропные рецепторы), например, аденилатциклазой. Последняя, однократно активируемая медиатором, катализирует превращение множества молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) - усилительный механизм. ЦАМФ, являясь вторичным посредником, активирует в клетке многие ферменты, в частности протеинкиназы и таким образом стимулирует клеточный метаболизм. Разрушается цАМФ фосфодиэстеразой. Аденилатциклазной системе аналогичны гуанилатциклазная система, система фосфолипазы С и т.д. (рис.14). Образование цГМФ из нециклической формы катализируется гуанилатциклазой, активность которой стимулирует окись азота. Молекулы последней образуются при дезаминировании аргинина и образовании цитруллина под действием синтазы окиси азота. Активность этого фермента в свою очередь регулируется комплексом Са²⁺-кальмодулин. Таким образом, например, глутаматные рецепторы, запускающие входящий ток ионов Са²⁺, управляет колебаниями концентрации цГМФ в цитоплазме нейронов. В головном мозге позвоночных активность синтазы окиси азота выявляется в мозжечке, четверохолмии, полосатом теле и обонятельной луковице.

Механизм работы химического синапса: при деполяризации пресинаптической терминали (вызванной ПД или искусственно) в нее из среды входят ионы Ca²⁺, которые стимулируют процесс экзоцитоза - опорожнениявезикул в синаптическую щель.

Представлены характерные синаптические и везикулярные белки, а также их предполагаемые рецепторы и функции. Постулируются раздельные участки везикулярной мембраны для заякоривания пузырьков на цитоскелете), прикрепления везикулярной мембраны к пресинаптической и высвобождения медиатора через образовавшуюся пору. Молекулярные механизмы прикрепления везикул к пресинаптической мембране и образования поры предположительно различны. Некоторые из белков являются мишенями нейротоксинов, изменяющих выброс медиатора. Например, структура везикулярных белков синаптобревинов (VAMPs) нарушается под действием столбнячного и ботулинического токсинов; яд паука латротоксин связывается с пресинаптическими мембранными белками нейрексинами и усиливает опорожнение везикул.

1. Синапсины - белки, ассоциированные с везикулами, которые предположительно связывают синаптические пузырьки с цитоскелетом нервного окончания. 2. Прикрепление, образование поры и опорожнение везикул осуществляются взаимодействиями (указаны стрелками) различных везикулярных и мембранных белков. Например, в образовании прикрепительного комплекса участвуют везикулярные белки (синаптотагмин и синаптобревины) и белки плазматической мембраны нервного окончания (синтаксины и нейрексины). 3. Какие белки - плазматические или везикулярные образуют пору слияния до сих пор не ясно. Предположительно, это - синаптофизин (имеющий и другие функции) и белок плазматической мембраны физофилин. 4. Rab-белки могут участвовать в транспорте везикул в клетке и в прикреплении их к мембране нервной клетки. Везикулярные транспортеры играют роль в аккумуляции нейромедиатора в синаптических пузырьках.

Одновременно Ca²⁺ начинает удаляться из цитоплазмы несколькими путями: связывание с белками, захват митохондриями и работа активного транспорта. Выход медиатора зависит от деполяризации терминали и составляет около 100 - 200 везикул, каждая из которых содержит одну порцию (квант), соответствующую приблизительно 10⁴ молекул. Молекулы медиатора диффундируют к постсинаптической мембране, где взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны, регулирующими состояние ионных каналов. Эта регуляция может быть прямой (как, например, в нервно-мышечном соединении скелетных мышц позвоночных), так и включать активацию систем вторичных внутриклеточных медиаторов (G-белки, цАМФ).

В первом случае осуществляется передача быстрых пусковых сигналов, во втором - осуществляются более медленные длительные воздействия. Направление изменения потенциала постсинаптической мембраны (деполяризация или гиперполяризация) зависит главным образом от того, открытием каких каналов управляют постсинаптические рецепторы. Часть молекул медиатора может взаимодействовать с пресинаптическими рецепторами, что приводит к изменению МП нервной терминали и, соответственно, количества выделяемого медиатора (обратная связь). Синаптическая щель очищается от медиатора различными путями: дезактивация, гидролиз, обратный захват в пресинаптическое окончание, диффузия, захват глиальными клетками. Основная часть синаптической задержки - времени от прихода нервного импульса до развития постсинаптического ответа (0,2-0,5 мс) приходится на процесс секреции медиатора. Химический синапс обеспечивает передачу сигнала только от пресинаптического нейрона к постсинаптическому.

При частой ритмической стимуляции в химических синапсах наблюдается сначала усиление (облегчение), а затем ослабление (депрессия) передачи, т.е. рост, а затем падение амплитуды постсинаптических потенциалов. Эти явления в основном определяются изменениями в пресинаптическом звене. Они имеют особое развитие в некоторых синапсах ЦНС, где выступают как факторы синаптической пластичности. Наличие различных типов рецепторов в постсинаптической мембране может обусловливать развитие этих явлений по отдельности, как, например, длительную потенциацию и длительную депрессию.

Химические тормозные синапсы. Эти синапсы по механизму передачи возбуждения сходны с синапсами возбуждающего действия. тормозных синапсах медиатор (например, глицин) взаимодействует с рецепторами субсинаптической мембраны и открывает в ней хлорные каналы, это приводит к движению ионов хлора по концентрационному градиенту внутрь клетки и развитию гиперполяризации на субсинаптической: мембране. Возникает так называемый тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП).

Ранее полагали, что каждому медиатору соответствует специфическая реакция постсинаптической клетки - возбуждение или торможение в той или иной форме. В настоящее время установлено, что одному медиатору чаще всего соответствует не один, а несколько различных рецепторов. Например, ацетилхолин в нервно-мышечных синапсах скелетных мышц действует на Н-холинорецепторы (чувствительные к никотину), которые открывают широкие каналы для натрия (и калия), что порождает ВПСП (ПКП) В ваго-сердечных синапсах тот же ацетилхолин действует на М-холинорецепторы (чувствительные к мускарину), открывающие селективные каналы для ионов калия, поэтому здесь генерируется тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). Следовательно, возбуждающий или тормозной характер действия медиатора определяется свойствами субсинаптической мембраны (точнее, видом рецептора), а не самого медиатора.

Физиологические свойства химических синапсов. Синапсы с химической передачей возбуждения обладают рядом общих свойств:

• Возбуждение через синапсы проводится только в одном направлении (односторонне). Это обусловлено строением синапса: медиатор выделяется только из пресинаптического утолщения и взаимодействует с рецепторами субсинаптической мембраны;

• передача возбуждения через синапсы осуществляется медленнее, чем по нервному волокну - синаптическая задержка;

• передача возбуждения осуществляется с помощью специальных химических посредников - медиаторов;

• в синапсах происходит трансформация ритма возбуждения;

• синапсы обладают низкой лабильностью;

• синапсы обладают высокой утомляемостью;

• синапсы обладают высокой чувствительностью к химическим (в том числе и к фармакологическим) веществам.

Электрические синапсы возбуждающего действия. Кроме синапсов с химической передачей возбуждения преимущественно в центральной нервной системе (ЦНС) встречаются синапсы с электрической передачей. Возбуждающим электрическим синапсам свойственны очень узкая синаптическая щель и очень низкое удельное сопротивление сближенных пре- и постсинаптических мембран, что обеспечивает эффективное прохождение локальных электрических токов. Низкое сопротивление, как правило, связано с наличием поперечных каналов, пересекающих обе мембраны, т. е. идущих из клетки в клетку (щелевой контакт). Каналы образуются белковыми молекулами (полумолекулами) каждой из контактирующих мембран, которые соединяются комплементарно. Эта структура легко проходима для электрического тока.

Схема передачи возбуждения в электрическом синапсе: ток, вызванный пресинаптическим потенциалом действия, раздражает постсинаптическую мембрану, где возникает ВПСП и потенциал действия. Поперечные каналы объединяют клетки не только электрически, но и химически, так как они проходимы для многих низкомолекулярных соединений. Поэтому возбуждающие электрические синапсы с поперечными каналами формируются, как правило, между клетками одного типа (например, между клетками сердечной мышцы).

Общими свойствами возбуждающих электрических синапсов являются:

• быстродействие (значительно превосходит таковое в химических синапсах);

• слабость следовых эффектов при передаче возбуждения (в результате этого в них практически невозможна суммация последовательных сигналов);

• высокая надежность передачи возбуждения.

Возбуждающие электрические синапсы могут возникать при благоприятных условиях и исчезать при неблагоприятных. Например, при повреждении одной из контактирующих клеток ее электрические синапсы с другими клетками ликвидируются. Это свойство называется пластичностью. Электрические синапсы могут быть с односторонней и двусторонней передачей возбуждения.

Электрический тормозный синапс. Наряду с электрическими синапсами возбуждающего действия могут встречаться электрические тормозные синапсы. Тормозящее влияние возникает за счет действия тока, вызванного потенциалом действия пресинаптической мембраны. Пресинаптический потенциал вызывает значительную гиперполяризацию сегмента и гиперполяризующий ток мгновенно тормозит генерацию потенциала действия в начальном сегменте аксона.

В смешанных синапсах пресинаптический потенциал действия создает ток, который деполяризует постсинаптическую мембрану типичного химического синапса, где пре- и постсинаптические мембраны не плотно прилегают друг к другу. Таким образом, в этих синапсах химическая передача служит необходимым усиливающим механизмом.

Трофические влияния, передаваемые через синапсы. Помимо передачи возбуждающих и тормозных сигналов, которые имеют функциональное значение, синапсы обеспечивают трофические (т.е. затрагивающие рост и дифференцировку) взаимодействия контактирующих клеток, реализуемые с помощью трофических факторов белковой природы, вероятно, также аккумулируемых в везикулах. Эти факторы обеспечивают метаболическое поддержание необходимой структуры и свойств этих клеток. Двусторонние трофические взаимодействия предполагают во всех синапсах, но изучены они главным образом в скелетных нервно-мышечных синапсах позвоночных. Денервация мышцы приводит к потере мышечными волокнами дифференцировки, достигнутой в онтогенезе.

Постсинаптические процессы. Изменения потенциала постсинаптической мембраны в результате активации синапса называют синаптическим потенциалом. Возбуждающий постсинптический потенциал (ВПСП) возникает в деполяризующих синапсах и обусловлен одновременным повышением проницаемости мембраны для ионов Na⁺ и K⁺. Возникающие при этом токи противоположно направлены (натриевый - внутрь клетки, калиевый - наружу). МП смещается в сторону деполяризации до значения равного полусумме равновесных потенциалов E_Na и E_K. Тормозные постсинаптические потенциалы(ТПСП) представляют собой гиперполяризационные изменения МП (до-80-90 мВ) и обусловлены открытием каналов для ионов K⁺ (которые покидают клетку), либо ионов Cl^-(входящих в клетку), либо для тех и других ионов одновременно. Амплитуда синаптических потенциалов зависит от количества выделяющегося медиатора (числа квантов) и, таким образом, эти реакции являются градуальными в отличие от ПД. Это амплитудное кодирование частотного сигнала осуществляется в постсинаптическом нейроне за исключением его аксонной области, в которой происходит возврат к частотному кодированию, благодаря распространяющимся по аксонному волокну ПД.

 

Создаваемая ВПСП деполяризация может значительно превышать, достигать или оставаться ниже порога возбуждения (отмечен точками). Амплитуда гиперполяризации вследствие развития ТПСП зависит от частоты пресинаптических ПД и влияет на частоту фоновой активности постсинаптической клетки.

Т.к. направление ионных токов зависит от градиента электрохимического потенциала данного иона, то амплитуда и полярность синаптического сигнала изменяются с изменением МП. Его значение, при котором происходит изменение знака синаптического действия, называется потенциалом реверсии. Распространение синаптических потенциалов обусловлено только физическими свойствами мембраны клетки и поэтому происходит с затуханием (уменьшением амплитуды). Синаптические потенциалы, возникающие в разных синапсах, могут взаимодействовать между собой, подчиняясь правилам алгебраического суммирования. Деполяризация, вызванная суммацией ВПСП, приближает МП к пороговой для возбуждения величине. Напротив, наложение ТПСП отдаляет его. Степень деполяризации или гиперполяризации мембраны зависит от «противоборства» между ионными проводимостями и токами, активируемыми при ВПСП и ТПСП. Главную роль в интеграции приходящих в клетку сигналов выполняют особые участки нейрональной мембраны: узлы ветвления дендритного дерева, соматическая мембрана, аксонный холмик. Чаще всего на дендритной мембране локализуются возбуждающие синапсы, в то время как тормозные располагаются, как правило, на соматической мембране. Окончательная интеграция всех входов происходит на аксонном холмике. Поскольку постсинаптические процессы возникают на различном удалении от триггерной зоны и распространяются пассивно, то их вклад в интегративный выход будет зависеть от локализации синаптических контактов.

На это взаимодействие влияют геометрические взаимоотношения между возбуждающими и тормозными синапсами, расположенными в разных участках дендритов, а также особенности электротонического распространения тока по этим дендритам. При этом в постсинаптическом нейроне при генерации ПД могут возникать эффекты сложения и вычитания входных сигналов, имеющих одинаковые или различные (возбуждающую и тормозную) модальности.

Передача сигнала неимпульсирующими нейронами. Некоторые нервные клетки не генерируют в физиологических условиях ПД (эта типичная для нейронов способность проявляется после некоторых видов химического воздействия). Примером таких клеток у позвоночных могут служить фоторецепторы и клетки-зерна обонятельных луковиц. Однако у этих нейронов сохраняется закономерность: медиатор выделяется только при деполяризации пресинаптической клетки.