Лекция № 5
ПРОЦЕССЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЯ В ЦНС. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИНТЕГРАТИВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЦНС (СВОЙСТВА НЕРВНЫХ ЦЕНТРОВ)
План: 1. Основные нервные процессы в ЦНС. 2. Механизм
передачи возбуждения в синапсах ЦНС (центральные
синапсы). 3. Свойства нервных центров, основанные на центральном возбуждении и
его распространение. 4. Центральное торможение.
І. Основные нервные процессы в ЦНС
Реализация интегративной функции ЦНС: анализ поступающих афферентных сигналов и синтеза эфферентного сигнала необходимо большой силы и длительности и адекватности как характеру раздражителя, так и всей окружающей обстановке.
22
ІІ. Механизм передачи возбуждения в синапсах. Каждый многоклеточный организм, каждая ткань, состоящая из отдельных клеток,
нуждается
в
механизмах,
обеспечивающих
межклеточное
взаимодействие. Важное значение имеют процессы коммуникации клеток ЦНС. Главная их задача лежит в обработке и передаче информации, закодированной в виде электрических сигналов – ПД. Это осуществляется через межклеточные соединения – синапсы. Они являются главным механизмом связи между нейронами и во многом обеспечивают все многообразие функций мозга. Понятие
синапс
введено
в
физиологию
английским
физиологом
Ч. Шеррингтоном (1897) для обозначения функционального контакта между нейронами. Классификация синапсов: 1. По механизму передачи:
- химические, - электрические, - смешанные.
2. По анатомо-гистологическому признаку: периферические нервноорганные - нервно-секреторные, - нервно-мышечные
центральные - межнейрональные
3. По нейрохимической классификации: - адренергические – НА, - холинергические – АХ.
4. По функциональному принципу: - возбуждающие → деполяризация → ВПСП (или ПКП), - тормозящие → гиперполяризация → ТПСП.
Наиболее характерной и универсальной структурой обладают нервномышечные
синапсы.
Синапс
представляет
собой
сложное
структурное
образование, в котором следует различать: пресинаптическу мембрану 33
синаптическую щель (10-20 нм) постсинаптическую мембрану Постсинаптическая мембрана в отличие от пресинаптической имеет белковые хеморецепторы к биологически активным (медиаторам, гормонам), лекарственным и токсическим веществам; в нервно-мышечном синапсе существует химическая специфичность постсинаптической мембраны – это способность вступать в биохимическое превращение только с определенным видом медиатора. Особенности
строения
нервно-мышечного
синапса,
равно
как
и
межнейронных синапсов, обуславливают его физиологическое значение и свойства: 1. Одностороннее проведение возбуждения. 2. Быстрая утомляемость. 3. Синаптическая задержка. 4. Низкая лабильность. 5. Высокая избирательная чувствительность.
Свойства синапса. 1. Одностороннее проведение возбуждения, обусловленное наличием
чувствительных к медиатору рецепторов только на постсинаптической мембране. 2. Синаптическая
задержка проведения возбуждения (время между
действием импульса в пресинаптическом окончании и началом постсинаптического ответа), связанная с малой скоростью диффузии медиатора в синаптическую щель по сравнению со скоростью прохождения импульса по нервному волокну. 3. Низкая лабильность и высокая утомляемость синапса, обусловленная
временем распространения предыдущего импульса и наличием у него периода абсолютной рефрактерности.
44
4. Высокая
избирательная чувствительность синапса к химическим
веществам,
обусловленная
специфичностью
хеморецепторов
постсинаптической мембраны. ЭТАПЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ Передача возбуждения в синапсе – сложный физиологический процесс, имеющий несколько стадий: 1. Синтез медиатора.
Химические
медиаторы
являются
веществами,
синтезируемыми
в
цитоплазме нейронов и нервных окончаниях из компонентов внутри- и внеклеточной жидкостей. Медиаторы обеспечивают одностороннюю передачу возбуждения от нервного волокна к клетке или другому нейрону. 1) В синапсах скелетных мышц вырабатывается только один вид медиатора – ацетилхолин, из холина (продукта печеночной секреции) и уксусной кислоты при участии ферментов, регулирующих активность метаболизма. Норадреналин, как и адреналин, относится к катехоламинам, но вырабатывается и в адренергических синапсах, которые относятся, в основном, к центральным синапсам и нейроорганным синапсам симпатической нервной системы. 2) В синапсах гладких мышц вырабатывается как АХ, так и НА, и эти медиаторы могут оказывать через синапс разное воздействие на гладкую мышцу в зависимости от вида активируемых ими ионных каналов на постсинаптической мембране. 3) В синапсах головного мозга функции медиаторов выполняют более 300 биологически активных веществ. Медиаторы синтезируются постоянно и депонируются в синаптических пузырьках нервных окончаний. 2. Секреция медиатора. В пресинаптических окончаниях медиатор содержится в «пузырьках» диаметром около 50 нм. При достижении распространяющимся потенциалом действия области пресинаптического окончания АХ высвобождается из пузырьков
и
выхолит
в
синаптическую
щель.
В
механизме
этого
нейросекреторного процесса важную роль играют ионы Са2+: они поступают 55
внутрь окончания из внеклеточной жидкости по электровозбудимым кальциевым каналам, активируемым при деполяризации пресинаптической мембраны приходящим потенциалом действия. Медиатор быстро диффундирует через щель, воздействуя на постсинаптическую мембрану. Выход медиатора в щель называется
экзоцитозом.
Скорость
экзоцитоза
зависит
от
скорости
высвобождения Са2+ из эндоплазматической сети пресинаптического окончания и активности метаболических процессов. Она увеличивается при введении лекарственных
средств,
содержащих
Са2+,
а
также
АТФ,
биогенных
стимуляторов, гормонов. Общим в их действии является повышение клеточного метаболизма и нормализация секреции медиатора. В одном кванте медиатора до 2000 молекул АХ. 3. Взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны. Это
взаимодействие
заключается
в
избирательном
изменении
ионоселективных каналов эффекторной клетки в области активных центров связывания с медиатором. Взаимодействие медиатора со своими рецепторами может вызвать возбуждение или торможение нейрона, сокращение мышечной клетки, выделение и образование гормонов секреторными клетками. Конечный результат действия медиатора с одной стороны зависит от химической природы медиатора, а с другой – от особенностей строения белковых рецепторов постсинаптической мембраны. Рецепторы, взаимодействующие с АХ, называются холинорецепторами. В функциональном отношении они разделяются на 2 группы: М- и Нхолинорецепторы (мускарин- и никотин-зависимые рецепторы). В синапсах скелетных мышц присутствуют только Н-холинорецепторы, тогда как в мышцах внутренних органов – преимущественно – М-холинорецепторы. Рецепторы, взаимодействующие с НА, называются адренорецепторами. В функциональном отношении они делятся на α- и β-адренорецепторы. Действие НА является деполяризующим, возникает ВПСП, если он взаимодействует с αадренорецепторами; тормозным, т.е. гиперполяризующим, при взаимодействии с 66
β-адренорецепторами. Результатом взаимодействия НА с α-адренорецепторами является, например, сокращение мышечной оболочки стенок кровеносных сосудов или кишечника, с β-адренорецепторами – их расслаление. Холин- и адренореактивные структуры находятся во всех внутренних органах, железах внутренней и внешней секреции, скелетной и гладкой мускулатуре, вегетативных ганглиях и ЦНС. Возбуждающий
синапс.
В
возбуждающем
синапсе
в
результате
взаимодействия медиатора с рецептором происходит активация хемовозбудимых каналов постсинаптической мембраны. Канал состоит из: 1. Транспортная система для ионов Na+, K+, Ca2+, Cl-. 2. Воротный механизм. 3. Холинорецептор (липопротеид с молекулярной массой 300000) или
адренорецептор )участок связывания медиатора) В отсутствие медиатора канал закрыт. При взаимодействии медиатора с рецептором а мембране (большое сродство рецептора к медиатору) происходит открытие
ионселективных
проницаемость
каналов
хемовозбудимых
для
каналов
ионов
натрия.
выражена
Ионселективная
слабо:
одинаковая
проницаемость для Na+, K+, Ca2+, Cl-. Движение ионов натрия происходит по электрическому (внутреннее содержимое клетки заряжено электроотрицательно) и концентрационным градиентам. Поэтому поток натрия внутрь клетки больше обратного тока калия. В результате мембрана деполяризуется, однако эта деполяризация не носит регенеративный характер, как в электровозбудимых тканях,
в
связи
с
тем,
что
хемовозбудимый
канал
не
обладает
электровозбудимостью. И здесь для формирования процесса возбуждения играет роль квант медиатора. Эта порция медиатора (НА или АХ) активирует, т.е. открывает несколько каналов, следующая порция – еще несколько каналов. В результате на мембране деполяризация растет и формируется постсинаптический потенциал (ВПСП или ПКП). Поэтому ПКП или ВПСП обладает свойствами ЛО – может суммироваться для достижения уровня критической деполяризации, вызывая ПД. 77
Когда он достигает КУД, на его основе формируется распространяющийся потенциал
действия
постсинаптическая
(ПД),
в
мембрана,
результате но
и
чего
возбуждается
происходит
не
распространение
только этого
возбуждения на мышечную ткань, нейрон или железистую клетку. Тормозный
синапс.
Под
действием
тормозного
медиатора
постсинаптическая мембрана становится более проницаема для ионов K+ и Cl-. В результате постсинаптическая мембрана не деполяризуется, а гиперполяризуется, что
приводит
к
блокированию
проведения
возбуждения
с
нерва
на
иннервируемую ткань. Эта гиперполяризация постсинаптической мембраны носит название тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП) и им измеряется. Аналогичное действие оказывают препараты, содержащие калий (калия бромид, панангин), которые назначают для снижения возбудимости нервной системы или снятия спазма гладкой мускулатуры внутренних органов. Один и тот же медиатор, например, АХ, модет активировать как натриевые (в скелеиных мышцах), так и калиевые (в сердце) каналы. В первом случае эти холинергические синапсы являются возбуждающими, во втором – тормозными. 4.
Инактивация медиатора. Инактивация медиатора – полная потеря
активности – необходима для деполяризации постсинаптической мембраны и восстановления исходного уровня мембранного потенциала – ПП. Наиболее важным путем инактивации является гидролитическое расщепление медиатора с помощью ингибиторов. Для АХ ингибитором является холинэстераза, для НА и адреналина – моноаминооксидаза (МАО) и катехоламинэстераза (КОМТ). Продукты расщепления медиатора снова поступают в кровь и циркулируют, как его предшественники. Другой путь удаления медиатора из синаптической щели – обратный захват его пресинаптическими окончаниями (пиноцитоз) и обратный аксонный транспорт, особенно выраженный для катехоламинов. Для НА и адреналина характерно то, что несмотря на наличие ингибиторов, разрушению подвергается их незначительное количество, и они снова депонируются синаптическими пузырьками в цитоплазме синаптических 88
окончаний. Это создает возможность их быстрого поступления в синаптическую щель под влиянием нового нервного импульса. МЕЖНЕЙРОННЫЕ СИНАПСЫ (центральные) В значительной мере отличаются от нервно-мышечных (мионевральных). Каналы
межнейронных
синапсов
регулируются
самыми
различными
медиаторами и биологически активными веществами (около 30),см. табл. Механизм действия медиаторов мозга. Чрезвычайно важные, сложные, что обусловлено различными факторами: в нервных клетках существует по крайней
мере
два
вида
рецепторов
с
совершенно
противоположными
механизмами функционирования. Одни – быстродействующие рецепторы – пердают информацию передают информацию за счет регуляции проницаемости ионселективных каналов (как в мионевральном синапсе). Активатором таких процессов является ГАМК, который возбуждает быстродействующие рецепторы мембраны для ионов Сl (возникает гиперполяризационный эффект и блок проведения возбуждения). Другие – медленнодействующие (дофамин, НА, серотонин, гистамин, АХ) – реализуют свое влияние на клетку через систему «второго посредника», молекул циклических нуклеотидов цАМФ и цГМФ, которые присутствуют практически
во
всех
тканях
организма
и
являются
важнейшими
внутриклеточными регуляторами метаболизма. В 1971 г. академиком П.К. Анохиным была выдвинута химическая гипотеза интегративной деятельности нейрона. Согласно этой гипотезе, решающая роль в обеспечении специфических функций нейрона принадлежит генетически обусловленным процессам цитоплазматического синтеза химических веществ в различных областях мозга – олигопептидам и мозговым специфическим белкам (открыты и рецепторы к ним – опиатные рецепторы мозга, см. табл.). Медиаторные системы мозга играют большую роль в интегративной деятельности ЦНС и организации целенаправленного поведения.
99
ІІІ Свойства нервных центров, основанные на центральном возбуждении и его распространении. Учение
о
рефлекторной
деятельсти
ЦНС
привело
к
развитию
представлений о нервном центре. Нервный центр – это совокупность нейронов, локализованных на различных уровнях ЦНС и выполняющих функцию регуляции опреленной функции или осуществляющих определенный рефлекс. Основой интегративной деятельности ЦНС, как совокупности нервных центров, является два взаимосвязанных процесса – возбуждение и торможение. Возбуждение в ЦНС. Возбуждение является следствием деполяризации нервной
клетки,
которая
может
быть
связана
или
с
увеличением
проницаемости постсинаптической мембраны для ионов натрия и кальция, или с уменьшением ее проницаемости для ионов калия и хлора. В ЦНС один и тот же медиатор может вступать в реакцию с различными рецепторами
постсинаптической
мемьраны
и
вызывать
при
этом
противоположные эффекты. Так, в нейронах ЦНС обнаружены мускариновые (М-холинорецепторы) и никотиновые (Н-холинорецепторы). АХ, выделяющийся в
этих
синапсах,
вызывает
различные
изменения
проницаемости
постсинаптической мембраны. В ЦНС существуют различные рецепторы для катехоламинов (α-адренорецепторы, β1- и β2-адренорецепторы). Открываются все новые рецепторы к аминокислотам. Способность одного и того же медиатора вызывать разнонаправленные изменения проницаемости постсинаптической мембраны является причиной того, что одни и те же медиаторы могут или тормозить, или возбуждать различные нервные клетки. В тех случаях, когда влияние химического медиатора более однотипно (например, ГАМК и глицин, которые вызывают увеличение проницаемости постсинаптической мембраны для ионов хлора) функциональный эффект является определенным (в данном случае – тормозный). Однако в ЦНС
1010
человека можно выделить синапсы, которые выполняют только функции передачи возбуждения – возбуждающие синапсы. В этих синапсах под действием медиатора развивается локальный возбуждающий деполяризация
постсинаптический ВПСП
(как
потенциал
локальный
ответ)
(ВПСП). обладает
Как
местная
способностью
суммироваться на соме нейрона, в результате чего формируется ПД. Необходимым
условием
для
его
возникновения
является
снижение
трансмембранной разности потенциалов (ПП) до опреленного критического уровня
деполяризации.
Вбольшинстве
центральных
нейронов
потенциал
действия возникает в специальной низкопороговой области (обычно – это зона аксонного холмика), откуда он распространяется по аксону и на мембрану соседних участков клетки. Это очень важно для интегративной функции нейрона, т.е. способности его суммировать влияния, потсупающие на нейрон по разным синаптическим путям. Распространение возбуждения в ЦНС имеет ряд особенностей: 1.
Одностороннее проведение возбуждения. В ЦНС возбуждение может
распространяться только в одном направлении – от рецепторного нейрона через промежуточные нейроны к эффекторному. Это явление получило название закон одностороннего проведения возбуждения в нервном центре. Механизм – нервные импульсы проходят через химические синапсы только в одном направлении – от пресинаптический мембраны, через синаптическую щель к постсинаптической мембране (и в периферических, и в центральных синапсах). 2.
Замедленное
проведение
–
в
нервных
центрах
проведение
возбуждения совершается значительно медленнее, чем в нервных волокнах. Объясняется относительная длительность времени рефлекса, т.е. времени от начала раздражения рецепторов до появления ответной реакции. В течение этого времени проходят следующие процессы: возбуждение по центростремительным нервным волокнам (А), проведение возбуждения по центростремительным нервным волокнам (Б), передача возбуждения с одних нейронов на другие в ЦНС (В), проведение возбуждения по центробежным нервным волокнам от ЦНС (Г), 1111
передача возбуждения с нерва на рабочий орган и латентный период его деятельности (Д). Т.о., время рефлекса = А+Б+В+Г. Истинное время рефлекса – это
время
внутрицентрального
проведения
импульсов
через
ЦНС
от
афферентного к эфферентному нейрону. Механизм замедленного проведения объясняется синаптической передачей. Чем сложнее ответная рефлекторная реакция, чем большее количество нейронов входит в его нервный центр (рефлекса) тем больше замедленное проведение. Время рефлекса также зависит от силы раздражителя и состояния ЦНС. При сильном раздражении оно короче, чем при слабом; при утомлении оно удлиняется, при повышенной возбудимости нервных центров значительно укорачивается. 3.
Суммация возбуждений. Этот процесс является характерным
свойством нервных центров, впервые описан в 1863 г. И.М. Сеченовым. Она проявляется в том, что сочетание двух или нескольких раздражений допороговой силы периферических рецепторов или афферентных нервов, вызывает рефлекс, тогда как каждый из этих раздражителей в отдельности для вызова рефлекторного ответа не является действенным. Виды: последовательная и временная суммация. 4.
1212