Анатомия периферической нервной системы. Нервная система: общие сведения Нервные клетки контактируют друг с другом посредством
Нервная система - иерархически организованная нервная ткань, пронизывающая весь организм и связывающая его в единое целое.
Нервная система - это сеть коммуникаций, которая обеспечивает взаимодействие организма с окружающей средой. В широком смысле понятие "окружающая среда" подразумевает как внешнюю среду (вне организма), так и внутреннюю (внутри организма). Таким образом, нервная система, обеспечивая интеграцию всех частей организма в единое целое, осуществляет умственную деятельность, связь организма с внешней средой (ощущения), управляет движениями, регулирует все функции, включая человеческую сексуальность и репродукцию (продолжение рода). Нервная система человека, в отличие от нервной системы высших животных, богата уникальными структурами и связями, которые являются морфофизиологическими субстратами мышления, творчества, членораздельной речи, трудовой деятельности. Все функции, включая умственную деятельность, осуществляют группы нервных клеток, связанных между собой многочисленными синапсами.
Нервная система состоит из следующих компонентов:
Сенсорные компоненты - реагируют на явления окружающей среды;
Интегративные компоненты - перерабатывают и хранят сенсорные и другие данные;
Двигательные компоненты - управляют движениями и секреторной деятельностью желез.
На микроскопическом уровне нервная система представляет собой очень сложное скопление разных клеток. Структурно-функциональной единицей нервной системы являются ервные клетки, или нейроны , образуют коммуникативную сеть нервной системы. Основная функция нейрона - получение, переработка, проведение и передача информации.
Нейроны специализируются на получении входящих сигналов и их передаче к другим нейронам или эффекторным клеткам. Другие клетки выполняют в нервной системе поддерживающие функции. Это клетки нейроглии (от греч. "глия" - клей). Их существует несколько типов. Одни глиальные клетки участвуют в поддержании состава межклеточной среды вокруг нейронов, другие образуют оболочку вокруг аксонов, благодаря которой увеличивается скорость проведения потенциалов действия.
Нейрон - основной структурный и функциональный элемент нервной системы; у человека насчитывается более ста миллиардов нейронов. Нейрон состоит из тела и отростков, обычно одного длинного отростка - аксона и нескольких коротких разветвленных отростков - дендритов . По дендритам импульсы следуют к телу клетки, по аксону - от тела клетки к другим нейронам, мышцам или железам. Благодаря отросткам нейроны контактируют друг с другом и образуют нейронные сети и круги, по которым циркулируют нервные импульсы.
Помимо опорных функций глия обеспечивает многообразные метаболические процессы в нервной ткани.
Нервную систему человека подразделяют на центральную и периферическую .
Центральная нервная система состоит из расширенного переднего конца нервной трубки - головного мозга и длинного цилиндрического спинного мозга .
В ЦНС выделяют серое вещество, которое представляет собой скопление тел нейронов, и белое вещество, состоящее из покрытых миелином аксонов, выполняющих роль проводников.
В функции центральной нервной системы входят интеграция и координация почти всех видов нервной активности , при этом центральная нервная система работает в тесном контакте с периферической нервной системой .
К периферической нервной системе относят отходящие от них парные спинномозговые и черепные нервы с корешками, их ветви, нервные окончания и ганглии (нервные узлы, образованные телами нейронов), нервные сплетения и периферические нервы , которые обеспечивают связь ЦНС с различными частями тела.
Состав внеклеточной жидкости вокруг большинства нейронов регулируется таким образом, чтобы клетки были защищены от резких изменений окружающей среды. Это обеспечивается регуляцией кровообращения в ЦНС, наличием гематоэнцефалического барьера , буферными функциями нейроглии, а также обменом веществ между цереброспинальной (спинномозговой) жидкостью (ЦСЖ) и внеклеточной жидкостью мозга.
На всем своем протяжении центральная нервная система покрыта тремя мозговыми оболочками и заключена в защитную костную капсулу, состоящую из черепа и позвоночника . Головной мозг, кровь и ЦСЖ находятся в полости черепа ( рис. 32.4). Снаружи мозг покрыт прочной твердой мозговой оболочкой ( dura mater), которая сращена с надкостницей черепа и позвоночника. Непосредственно к ткани мозга прилегает мягкая мозговая оболочка (pia mater). Между твердой и мягкой оболочками находится паутинная оболочка мозга ( aracnoidea), образующая сеть из перекладин соединительной ткани, благодаря которым между мягкой и паутинными оболочками образуется подпаутинное пространство мозга , заполненное спинномозговой жидкостью ( цереброспинальной жидкостью). Большая часть цереброспинальной жидкости содержится в центральном канале спинного мозга , а в головном мозге она заполняет четыре расширенных участка - мозговых желудочка . Спинномозговая жидкость омывает мозг снаружи и изнутри, и с ней соприкасаются кровеносные сосуды , обеспечивающие снабжение нервных тканей питательными веществами и кислородом и удаление продуктов обмена. В крыше мозга находятся переднее сосудистое сплетение мозга и заднее сосудистое сплетение мозга , клетки которых выделяют спинномозговую жидкость. Объем спиномозговой жидкости составляет около 100 мл. Она выполняет питательную, выделительную и опорную функции и защищает нервные клетки от механических ударов о твердую костную поверхность. Ресничные клетки , выстилающие полость желудочков и центрального канала, поддерживают непрерывную циркуляцию спиномозговой жидкости.
Головной мозг человека весит около 1350 г; примерно 15% его массы (200 мл) приходится на внеклеточную жидкость. Объем крови внутри черепа составляет около 100 мл, столько же - внутричерепной объем ЦСЖ. Значит, общий объем внеклеточной жидкости в полости черепа равен примерно 400 мл.
Существует еще одна классификация, согласно которой единую нервную систему также условно подразделяют на две части: соматическую (анимальную) и вегетативную (автономную, особую часть нервной системы). Первая иннервирует главным образом тело (кости, скелетные мышцы, кожу) и обеспечивает связь организма с внешней средой. Вегетативная (автономная) нервная система иннервирует все внутренности, железы (в том числе и эндокринные), гладкие мышцы органов и кожи, сосуды и сердце, а также обеспечивает обменные процессы во всех органах и тканях.
8285 0
Нейроны
У высших животных нервные клетки образуют органы центральной нервной системы (ЦНС) - головной и спинной мозг — и периферической нервной системы (ПНС), которая включает в себя нервы и их отростки, соединяющие ЦНС с мышцами, железами и рецепторами.Структура
Нервные клетки не воспроизводятся митозом (делением клеток). Нейроны называют амитотическими клетками - если они разрушены, они уже не восстановятся. Ганглии — это пучки нервных клеток вне ЦНС. Все нейроны состоят из перечисленных ниже элементов.Тело клетки . Это ядро и цитоплазма.
Аксон. Это длинный, тонкий отросток, который передает информацию от тела клетки к другим кяеткам через соединения, называемые синапсами. Некоторые аксоны имеют длину меньше сантиметра, а другие — более 90 см. Большинство аксонов находятся в защитном веществе, называемом миелиновой оболочкой, которая помогает ускорить процесс передачи нервных импульсов. Сужения на аксоне через определенный промежуток называются перехватами Ранвье.
Дендриты. Это сеть коротких волокон, которые отходят от аксона или тела клетки и соединяют концы аксонов от других нейронов. Дендриты получают информацию для клетки, получая и проводя сигналы. У каждого нейрона могут быть сотни дендритов.
Структура нейрона
Функции
Нейроны контактируют друг с другом электрохимическим способом, передавая импульсы по всему телу.Миелиновая оболочка
. Шванновские клетки обвивают спиралью один или более аксонов (а) , образуя миелиновую оболочку.. Она состоит из нескольких слоев (возможно, 50-100) плазматических мембран (б) , между которыми циркулирует жидкая цитозоль (цитоплазма, лишенная ипохондрий и др. элементов эндоплазматической сети), за исключением самого верхнего слоя (в) .
. Миелиновая оболочка вокруг длинного аксона разделена на сегменты, каждый из которых образован отдельной Шванновской клеткой.
. Соседние сегменты разделены сужениями, называемым перехватами Ранвье (г) , где аксон не имеет миелиновой оболочки.
Нервные импульсы
У высших животных сигналы посылаются по всему телу и от головного мозга в виде электрических импульсов, передаваемых через нервы. Нервы создают импульсы, когда происходит физическое, химическое или электрическое изменение мембраны клетки.1 Покоящийся нейрон
Покоящийся нейрон имеет отрицательный заряд внутри мембраны клетки (а) и позитивный заряд вне этой мембраны (б). Такое явление называется остаточным потенциалом мембраны.Он поддерживается двумя факторами:
Различная проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия и калия, у которых одинаковый положительный заряд. Натрий диффузирует (проходит) в клетку медленнее, чем калий выходит из нее.
Обмен натрий-калий, при котором из клетки выходит больше положительных ионов, чем входит в нее. В результате вне клеточной мембраны скапливается большая часть положительных ионов, чем внутри нее.
2 Стимулированный нейрон
Кода нейрон стимулируется, проницаемость какого-либо участка (в) клеточной мембраны изменяется. Положительные ионы натрия (г) начинают проникать в клетку быстрее, чем в покоящемся положении, что приводит к повышению положительного потенциала внутри клетки. Это явление называется деполяризацией.3 Нервный импульс
Деполяризация постепенно распространяется на всю клеточную мембрану (д). Постепенно заряды по сторонам клеточной мембраны меняются (не некоторое время). Это явление называется обратной поляризацией. Это и есть, по сути, нервный импульс, передающийся вдоль клеточной мембраны нервной клетки.4 Реполяризация
Проницаемость клеточной мембраны снова меняется. Положительные ионы натрия (Na+) начинают выходит из клетки (е). Наконец, вне клетки снова образуется положительный заряд, а внутри нее - положительный. Этот процесс называется реполяризацией.
Последнее обновление: 29/09/2013
Синапс – определение, структура, роль синапса в строении нервной системы
Синапс в структуре нервной системы – это небольшой участок в окончании нейона, отвечающий за передачу информации между нервными клетками. В его формировании участвуют две клетки – передающая и воспринимающая.
Определение понятия
Синапс является небольшим отделом в окончании нейрона. С его помощью ведется передача информации от одного нейрона к другому. Синапсы располагаются в тех участках нервных клеток, где они контактируют друг с другом. Кроме того, синапсы имеются в местах, где нервные клетки вступают в соединение с различными мышцами или железами организма.
Строение синапса
Структура синапса состоит из трех частей, каждая из которых несет свои функции в процессе передачи информации. В его строении задействованы обе клетки, и передающая, и воспринимающая.
На конце аксона передающей клетки располагается начальная часть синапса – пресинаптическое окончание. Оно способно вызывать в клетке запуск (термин имеет несколько названий – «нейромедиаторы», «посредники», «медиаторы») – специальных химических веществ, благодаря которым реализовывается передача электрического сигнала между двумя нейронами.
Средняя часть синапса является синаптической щелью – пространством между двумя вступающими во взаимодействие нервными клетками. Именно через эту щель и идет электрический импульс от передающей клетки.
Заключительная часть синапса является частью клетки воспринимающей и называется постсинаптическим окончанием – контактирующем фрагментом клетки со множеством чувствительных рецепторов в своей структуре.
Механизм работы синапса
Из пресинаптического окончания вниз по аксону нейрона проходит электрический заряд от передающей клетки к воспринимающей. Он запускает выброс в синаптическую щель нейротрансмиттеров. Данные медиаторы двигаются через синаптическую щель до постсинаптического окончания следующей клетки, где вступают во взаимодействие с многочисленными ее рецепторами. Данный процесс вызывает цепь биохимических реакций и, как следствие, провоцирует запуск электрического импульса с кратким изменением своего потенциала на участке клетки. Данное явление известно как потенциал действия (или волна возбуждения при прохождении нервного сигнала).
Деятельность клеток в организме многоклеточные животные координируется «химическими посредниками» и нервными клетками. В течение последние несколькие лет удалось в значительной мере выяснить природу возникновения и передачи нервного импульса.
Чем более высокое место занимает организм в царстве животных, тем важнее становится роль системы клеток, предназначенной для координации его деятельности. Природа создала две различные координирующие системы. Одна из них основана на выделении и распространении по организму «химических посыльных» - гормонов, вырабатываемых некоторыми специализированными клетками и способных регулировать деятельность клеток, находящихся в других частях тела. Вторая система, способная к гораздо более быстрому и к тому же избирательному действию, представляет собой специализированную систему нервных клеток, или нейронов, функция которых состоит в том, чтобы получать и передавать распоряжения при помощи электрических импульсов, распространяющихся по определенным путям. Обе эти координирующие системы возникли в процессе эволюции очень давно, причем вторая из них, а именно нервная система, претерпела особенно значительное эволюционное развитие, завершившееся созданием удивительного и загадочного органа - человеческого мозга.
Наши знания относительно работы миллионов клеток в нашем головном мозге находятся в самом зачаточном состоянии. Однако этих знаний в общем достаточно для того, чтобы выполнить поставленную здесь задачу - описать, а отчасти и объяснить, каким образом отдельные клетки (нейроны) генерируют и передают электрические импульсы, составляющие основной элемент того кода, по которому действует внутренняя система связи человеческого организма.
Большую часть нервных клеток составляют нейроны двух типов - чувствительные и двигательные. Чувствительные нейроны собирают и передают высшим центрам нервной системы импульсы, возникающие в специальных рецепторных областях, функция которых состоит в инспектировании внешней и внутренней среды организма. Двигательные нейроны передают импульсы от высших центров к «рабочим» клеткам (обычно мышечным клеткам), т. е. клеткам, от которых непосредственно зависит реакция организма на изменения в обеих этих средах. В простых рефлекторных реакциях передача сигналов от чувствительных нейронов к двигательным происходит автоматически и обеспечивается относительно простыми системами синапсов, которые довольно хорошо изучены.
В процессе эмбрионального развития из тела нервной клетки - будь то чувствительная или двигательная клетка - вырастает длинный отросток аксон, который каким-то неизвестным образом растет к предназначенной ему точке на периферии, с тем чтобы вступить в контакт с мышцей или кожей. У взрослого человека длина аксона может достигать 1-1,5 метра при толщине менее 0,025 миллиметра. Аксон образует своего рода миниатюрный телеграфный провод для передачи сообщений от периферии к телу нервной клетки, которая лежит в спинном или в головном мозге под защитой позвоночника или черепа. Изолированные периферические нервные волокна изучали, вероятно, более интенсивно, чем любую другую ткань, несмотря на то, что эти волокна представляют собой лишь фрагменты клеток, отсеченные как от своих клеточных ядер, так и от своих периферических окончаний. Тем не менее такие изолированные нервные волокна довольно долго сохраняют способность передавать нервные импульсы и могут обычно передать не один десяток тысяч импульсов, прежде чем перестанут действовать. Это наблюдение вместе с рядом других убеждает нас в том, что тело нервной клетки и заключенное в нем ядро, по-видимому, каким-то образом «заботятся» о своем отростке, управляют его ростом и, если понадобится, восстанавливают повреждения, хотя и не принимают непосредственного участия в передаче сигналов.
Долгие годы шли споры по вопросу о том, приложимо ли представление о клетке как основной структурной единице к нервной системе и ее функциональным связям. Некоторые исследователи полагали, что развивающаяся нервная клетка буквально врастает в цитоплазму всех тех клеток, с которыми она вступает в функциональное взаимодействие. Этот вопрос нельзя было решить окончательно до появления электронного микроскопа, обладающего высокой разрешающей способностью. Оказалось, что нервная клетка на большей части своей поверхности, включая и поверхность всех ее отростков, действительно плотно обернута другими клетками, однако цитоплазма этих клеток отделена от цитоплазмы нервной клетки ясно выраженными мембранами. Кроме того, между мембранами нервной клетки и окружающих ее других клеток имеется небольшой зазор, обычно толщиной 100-200 ангстремов.
Часть этих клеточных контактов представляет собой синапсы - точки, в которых происходит передача сигналов от одной клетки к следующему звену цепи. Однако синапсы встречаются только на теле нейрона или близ него, а также у периферических окончаний аксона. Большая часть покрывающих клеток, в частности клетки, облекающие аксон, вообще не относится к нервным клеткам. Их функция все еще остается загадкой. Некоторые из этих сопутствующих клеток называются шванновскими клетками, другие - глиальными клетками. Эти клетки, по-видимому, не играют никакой роли в самом процессе передачи импульса: возможно, что они участвуют в нем лишь косвенно, оказывая влияние на электрическое поле вокруг аксона. Весьма знаменательно, например, что на поверхности изолированных мышечных волокон (которые очень близки к нервным волокнам по своей способности ^передавать электрические импульсы) таких клеток-сателлитов очень немного.
Одна из функций сателлитов аксона заключается в образовании так называемой мякотной оболочки - сегментированного изолирующего футляра, покрывающего периферические нервные волокна позвоночных животных и улучшающего их проводящую способность. Благодаря электронно-микроскопическим исследованиям Б. Бен-Герен-Узман и Ф. Шмитта мы теперь знаем, что каждый сегмент мякотной оболочки образован шванновской клеткой, которая содержит ядро; цитоплазма шванновской клетки плотно закручивается в спираль вокруг аксона, образуя многослойный футляр. Отдельные сегменты оболочки разделены промежутками, так называемыми перехватами Ранвье, в которых происходит регенерация электрического сигнала.
Существуют и нервные волокна других типов, лишенные мякотной оболочки, но даже эти волокна покрыты одним слоем шванновских клеток. Возможно, именно потому, что аксон отходит так далеко от ядра нервной клетки, ему необходимо это тесное соприкосновение с имеющими ядро клетками-сателлитами. Мышечные волокна, в отличие от изолированных аксонов, представляют собой вполне самостоятельные клетки, в цитоплазме которых содержатся ядра; с наличием ядра и связана, возможно, их способность обходиться без клеток-сателлитов. Какова бы ни была функция этих сателлитов, они во всяком случае не могут в течение сколько-нибудь значительного времени поддерживать жизнь аксона после того, как его отсекли от тела клетки; спустя несколько дней такой отсеченный отросток неизменно разрушается и погибает. Каким образом ядро нервной клетки в течение всей жизни служит центром, восстанавливающим повреждения, и как именно оно распространяет свое влияние на самые отдаленные участки аксона, до сих пор остается тайной (ведь если бы, например, это влияние распространялось за счет обычной диффузии, то для покрытия такого расстояния понадобились бы годы).
Методы экспериментальной физиологии оказались гораздо более плодотворными в применении к исследованию процессов непосредственного проведения импульсов по нерву, чем к изучению не менее важных, но гораздо труднее поддающихся исследованию длительных процессов. Мы очень мало знаем относительно химического взаимодействия между нервом и его сателлитами или относительно сил, которые направляют растущий нерв по определенному пути и побуждают его к образованию синаптических связей с другими клетками. Ничего не известно нам также и о том, каким образом клетки накапливают информацию, т. е. в чем состоит механизм памяти. Поэтому всю остальную часть этой статьи мы посвятим почти исключительно нервным импульсам и способу их передачи через узкие синаптические щели, отделяющие одну нервную клетку от другой.
Большая часть наших сведений относительно нервной клетки получена при изучении гигантского аксона кальмара, достигающего в толщину почти миллиметра. К этому волокну очень легко прикладывать микроэлектроды или наблюдать за поступлением и выходом из него веществ, меченных радиоактивными изотопами. Оболочка волокна разделяет два водных раствора, которые обладают почти одинаковой электропроводностью и содержат примерно одинаковое число электрически заряженных частиц, или ионов. Однако химический состав этих двух растворов совершенно различен. Во внешнем растворе более 90% заряженных частиц составляют ионы натрия (заряженные положительно) и ионы хлора (заряженные отрицательно). В растворе, находящемся внутри клетки, совокупность этих ионов составляет менее 10% растворенных веществ; здесь основную часть положительно заряженных ионов образуют ионы калия, а отрицательные ионы представлены разнообразными органическими частицами (которые, несомненно, синтезируются в самой клетке), слишком крупными для того, чтобы диффундировать сквозь мембрану аксона. Поэтому концентрация ионов натрия снаружи примерно в 10 раз выше, чем внутри аксона; концентрация же ионов калия, напротив, внутри аксона в 30 раз выше, чем снаружи. Хотя проницаемость мембраны аксона для всех этих ионов невелика, тем не менее она неодинакова для разных ионов; ионы калия и хлора проходят сквозь эту мембрану гораздо легче, чем ионы натрия и крупные органические ионы. В результате возникает разность потенциалов, достигающая 60-90 милливольт, причем внутреннее содержимое клетки оказывается заряженным отрицательно по отношению к внешнему раствору.
Для поддержания этих различий в концентрации ионов нервная клетка располагает своего рода насосом, который выкачивает ионы натрия через мембрану наружу с такой же скоростью, с какой они проникают в клетку в направлении электрохимического градиента. Проницаемость поверхности покоящейся клетки для натрия обычно столь низка, что проникновение в клетку ионов натрия очень невелико; поэтому на совершение работы, связанной с процессом выкачивания, затрачивается лишь небольшая часть той энергии, которая непрерывно освобождается в процессе метаболизма клетки. Мы не знаем подробностей относительно работы этого насоса, однако она, по-видимому, связана с обменом ионов натрия на ионы калия; иными словами, на каждый ион натрия, выбрасываемый через мембрану, клетка принимает один ион калия. Попав внутрь аксона, ионы калия перемещаются в нем так же свободно, как обычно перемещаются ионы в любом простом солевом растворе. Когда клетка находится в состоянии покоя, ионы калия просачиваются сквозь мембрану наружу, но довольно медленно.
Мембрана аксона похожа на мембраны других клеток. Она имеет примерно 50-100 ангстремов в толщину и снабжена тонким изолирующим слоем, состоящим из жировых веществ. Ее удельное сопротивление прохождению электрического тока примерно в 10 миллионов раз выше, чем сопротивление солевых растворов, омывающих ее снаружи и изнутри. Вместе с тем аксон был бы совершенно бесполезен, если бы он использовался просто в роли электрического провода. Сопротивление жидкости внутри аксона примерно в 100 миллионов раз выше, чем сопротивление медной проволоки, а мембрана его допускает в миллион раз более сильную утечку тока, чем обмотка хорошего провода. Если раздражать аксон электрическим током, слишком слабым, для того чтобы вызвать нервный импульс, то электрический сигнал становится расплывчатым и затухает, пройдя по волокну всего лишь несколько миллиметров.
Каким же образом аксон передает первичный импульс на расстояние свыше метра без затухания и без искажения?
Если повышать интенсивность электрического сигнала, приложенного к мембране нервной клетки, то в какой-то момент достигается уровень, на котором сигнал уже не затухает и не исчезает. При этом (если взято напряжение нужного знака) преодолевается некий порог и клетка становится «возбужденной». Аксон клетки уже не ведет себя как пассивный провод, а генерирует свой собственный импульс, который усиливает первоначально приложенный импульс. Усилившийся таким образом импульс, или пик, передается от одной точки к другой, не теряя своей силы, и распространяется с постоянной скоростью по всему аксону. Скорость распространения импульса по нервным волокнам позвоночных колеблется от нескольких метров в секунду (для тонких безмякотных волокон) до примерно 100 метров в секунду (для самых толстых мякотных волокон). Наибольшую скорость проведения - более 300 километров в час - мы встречаем в чувствительных и двигательных волокнах, управляющих поддержанием равновесия тела и быстрыми рефлекторными движениями. После передачи импульса нервное волокно на короткое время теряет способность возбуждаться, впадая в рефрактерное состояние, но спустя 1-2 тысячных секунды оно вновь оказывается готовым генерировать импульсы.
Электрохимические процессы, лежащие в основе нервного импульса, или, как его называют, потенциала действия, в течение последних 15 лет удалось в значительной мере выяснить. Как мы видели, разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны определяется главным образом различной проницаемостью мембраны для ионов; натрия и калия. Такая избирательная проницаемость свойственна многим мембранам, как природным, так и искусственным. Однако особенность, мембраны нервного волокна состоит в том, что степень ее проницаемости зависит в свою очередь от разности потенциалов между ее внутренней и наружной поверхностью, и в основе всего процесса проведения импульсов лежит, в сущности, это чрезвычайно своеобразное взаимное влияние.
А. Ходжкин и А. Хаксли установили, что искусственное понижение разности потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны немедленно вызывает повышение проницаемости мембраны для ионов натрия. Мы не знаем, почему происходит такое специфическое изменение проницаемости мембраны, однако последствия этого изменения чрезвычайно значительны. Когда ионы натрия, заряженные положительно, проникают сквозь мембрану, они вызывают локальное погашение части избыточного отрицательного заряда внутри аксона, что приводит к дальнейшему уменьшению разности потенциалов. Таким образом, это самоусиливающийся процесс, ибо проникновение нескольких ионов натрия сквозь мембрану дает возможность другим ионам последовать их примеру. Когда разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны понижается до порогового значения, ионы натрия проникают внутрь в таком количестве, что отрицательный заряд внутреннего раствора меняется на положительный; происходит как бы внезапное «воспламенение», в результате чего возникает нервный импульс, или потенциал действия. Этот импульс, регистрируемый осциллографом в виде пика, изменяет проницаемость мембраны аксона на участке, лежащем впереди той точки, через которую в данный момент проходит импульс, и создает условия, обеспечивающие проникновение натрия внутрь аксона; благодаря этому процесс, многократно повторяясь, распространяется вдоль аксона до тех пор, пока потенциал действия не пройдет по всей его длине.
Непосредственно позади движущегося импульса разыгрываются другие события. «Натриевая дверца», отворившаяся во время подъема пика, вновь затворяется, и теперь ненадолго оказывается отпертой «калиевая дверца». Это вызывает быстрое вытекание положительно заряженных ионов калия, что приводит к восстановлению первоначального отрицательного заряда внутри аксона. В течение нескольких тысячных секунды после того, как разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны вернулась к исходному уровню, сдвинуть эту разность потенциалов и вызвать возникновение нового импульса трудно. Однако проницаемость мембраны для разных ионов быстро возвращается к первоначальному уровню, после чего клетка оказывается готовой к генерации следующего импульса.
Поступление ионов натрия в аксон и следующий за ним выход ионов калия наружу происходят столь недолго и затрагивают столь незначительное число частиц, что процессы эти едва ли могут влиять на состав содержимого аксона в целом. Даже без пополнения запас ионов калия внутри аксона достаточно велик, чтобы обеспечить прохождение десятков импульсов. В живом организме ферментная система, управляющая работой натриевого насоса, без труда поддерживает клетки в состоянии готовности к генерации импульсов.
Этот сложный процесс - проведение сигнала (который должен был бы очень быстро затухнуть вследствие утечки в цепи) при участии многочисленных усилителей, располагающихся вдоль линии передачи, - обеспечивает условия, необходимые нашей нервной системе для осуществления связи на относительно большие расстояния в пределах организма. Он создает известную стереотипную систему кодирования для наших каналов связи - короткие импульсы, почти постоянные по силе и следующие друг за другом с различными интервалами, величина которых зависит исключительно от длительности рефрактерного периода нервной клетки. Для восполнения недостатков этой простой системы кодирования в организме имеются многочисленные, расположенные параллельно друг другу каналы связи (аксоны), каждый из которых представляет собой отросток отдельной нервной клетки. Например, в стволе зрительного нерва, отходящего от глаза, содержится более миллиона каналов, которые тесно соприкасаются друг с другом; все они способны передавать различные импульсы высшим центрам головного мозга.
Вернемся теперь к вопросу о том, что же происходит в синапсе - в точке, где импульс доходит до конца одной клетки и сталкивается с другой нервной клеткой. Самоусиливающийся процесс передачи импульса, действующий в пределах каждой отдельной клетки, не обладает способностью автоматически «перескакивать» через границы данной клетки на соседние клетки. И это вполне естественно. Ведь если бы сигналы, идущие по отдельным каналам в нервном пучке, могли бы перескакивать из одного канала в другой, то вся такая система связи не годилась бы просто никуда. Правда, в месте функциональных синаптических контактов промежуток между клеточными мембранами составляет обычно не более нескольких сот ангстремов. Однако на основании всего того, что нам известно о размерах области соприкосновения и об изолирующих свойствах клеточных мембран, трудно представить себе, чтобы между окончанием одной нервной клетки и внутренним содержимым другой существовала эффективная телеграфная связь. Убедительным опытом в этом
смысле может служить попытка передать подпороговый импульс - т. е. импульс, не вызывающий возникновения пика, - через синапс, отделяющий один из двигательных нервов от мышечного волокна. Если к такому двигательному нерву вблизи от синапса приложить слабый ток, то отводящий электрод, введенный непосредственно в мышечное волокно, не зарегистрирует никаких импульсов. Очевидно, в синапсе телеграфная связь, осуществлявшаяся нервным волокном, прерывается, и дальнейшая передача сообщений происходит при помощи какого-то иного процесса.
Природа этого процесса была открыта примерно 25 лет назад Г. Дэйлом и его сотрудниками. В некоторых отношениях он напоминает гормональный механизм, упомянутый в начале нашей статьи. Окончания двигательного нерва действуют, подобно железам, секретируя некий химический фактор (посредник, или медиатор). В ответ на переданный им импульс эти окончания выделяют особое вещество - ацетилхолин, которое быстро и эффективно диффундирует сквозь узкую синаптическую щель. Молекулы ацетилхолина соединяются с молекулами рецептора в области контакта с мышечным волокном и каким-то образом отворяют «ионные дверцы» этого волокна, давая возможность натрию проникнуть внутрь и вызвать генерацию импульса. Тех же результатов можно достигнуть при экспериментальном нанесении ацетилхолина на область контакта с мышечным волокном. Возможно, что подобные химические медиаторы участвуют в создании большинства контактов между клетками в нашей центральной нервной системе. Однако вряд ли можно думать, что ацетилхолин служит универсальным медиатором, действующим во всех этих случаях; поэтому многочисленные ученые ведут интенсивные исследования в поисках других естественных химических медиаторов.
Проблема передачи в синапсах распадается на два круга вопросов: 1) каким именно образом нервный импульс вызывает секрецию химического медиатора? 2) каковы те физико-химические факторы, которые определяют способность химического медиатора стимулировать соседнюю клетку к генерации импульса в одних случаях или тормозить эту генерацию - в других?
До сих пор мы ничего не сказали относительно торможения, хотя оно широко распространено в нервной системе и представляет собой одно из наиболее интересных проявлений нервной деятельности. Торможение происходит в тех случаях, когда нервный импульс служит для близлежащей клетки тормозом, препятствуя ее активации под влиянием возбуждающих сигналов, поступающих в нее в это же время по другим каналам. Импульс, проходящий по тормозному аксону, неотличим по своим электрическим характеристикам от импульса, проходящего по возбуждающему аксону. Однако, по всей вероятности, физико-химическое воздействие, которое он оказывает на синапс, носит иной характер. Возможно, что торможение происходит в результате процесса, который в какой-то степени стабилизирует мембранный потенциал (электризацию) воспринимающей клетки и препятствует доведению этой клетки до порога неустойчивости или до «точки воспламенения».
Существует несколько процессов, которые могли бы привести к такой стабилизации. Об одном из них мы уже упоминали: он возникает во время рефрактерного периода, наблюдающегося тотчас же после генерации импульса. В этот период мембранный потенциал стабилизируется на высоком уровне (отрицательный заряд внутреннего содержимого клетки составляет 80-90 милливольт), потому что «калиевая дверца» широко открыта, а «натриевая дверца» плотно прикрыта. Если медиатор может вызвать одно из этих состояний или даже оба, то его действие, несомненно, носит характер торможения. Можно с полным правом считать, что именно таким способом импульсы, поступающие от блуждающего нерва, уменьшают частоту сердечных сокращений; кстати сказать, медиатор, вырабатываемый блуждающим нервом, - это все тот же ацетилхолин, как это было обнаружено В. Леви 40 лет назад. Сходные эффекты наблюдаются в различных тормозных синапсах, расположенных в спинном мозге, однако химический характер участвующих в этом медиаторов до сих пор установить не удалось.
Торможение может также возникнуть в том случае, если два «антагонистических» аксона, принадлежащих двум разным клеткам, встретятся на одном и том же участке третьей клетки и выделят какие-либо химические вещества, способные конкурировать друг с другом. Хотя примеров подобного торможения в природе еще не обнаружено, однако в химии и фармакологии явление конкурентного торможения хорошо известно. (Например, парализующее действие яда кураре основано на его конкуренции с ацетилхолином. Молекулы кураре обладают способностью присоединяться к той области мышечного волокна, которая обычно свободна и вступает во взаимодействие с ацетилхолином.) Возможно также и обратное, т. е. что какое-то вещество, выделяемое окончанием тормозного нерва, действует на окончание возбуждающего нерва, понижая его секреторную функцию, а тем самым и количество выделяемого возбуждающего медиатора.
Итак, мы вновь упираемся в тот же вопрос: каким образом нервный импульс вызывает выделение медиатора? Проведенные недавно эксперименты показали, что действие нервных импульсов в месте соединения нерва с мышцей состоит не в том, чтобы вызвать процесс секреции медиатора, а в том, чтобы, изменяя мембранный потенциал, изменить скорость этого процесса, который происходит непрерывно. Даже при отсутствии какой бы то ни было стимуляции определенные участки нервных окончаний выделяют с неравномерными интервалами порции ацетилхолина, причем каждая такая порция содержит множество - возможно, тысячи - молекул.
Всякий раз при спонтанном выделении порции молекул медиатора в мышечном волокне, лежащем по другую сторону синапса, можно зарегистрировать внезапную небольшую местную реакцию. По прошествии одной тысячной секунды потенциал мышечной мембраны понижается на 0,5 милливольта, а затем в течение 20 тысячных секунды происходит восстановление потенциала. Систематически изменяя мембранный потенциал нервного окончания, удалось выявить определенную зависимость между этим мембранным потенциалом и скоростью секреции отдельных порций медиатора. По-видимому, скорость секреции возрастает примерно в 100 раз при понижении мембранного потенциала на каждые 30 милливольт. В состоянии покоя выделяется по одной порции медиатора в секунду на каждый синапс. Однако при кратковременном изменении потенциала «на 120 милливольт во время прохождения нервного импульса частота выделения порций медиатора на короткое время возрастает почти в миллион раз, в результате чего в течение долей миллисекунды одновременно выделяется несколько сот порций медиатора.
Чрезвычайно существенно, что медиатор всегда выделяется в виде мультимолекулярных порций определенного размера. Это, вероятно, объясняется какими-то особенностями микроскопической структуры нервных окончаний. Эти нервные окончания содержат своеобразное скопление так называемых пузырьков диаметром около 500 ангстремов каждый, в которых, возможно, и содержится медиатор, уже «расфасованный» и готовый к выделению. Можно предполагать, что когда эти пузырьки сталкиваются с мембраной аксона, как это, вероятно, часто происходит, то такое столкновение иногда приводит к выплескиванию содержимого пузырьков в синаптическую щель. Подобные предположения необходимо еще подтвердить прямыми данными, однако они позволяют дать разумное объяснение всему тому, что нам известно относительно спонтанного выделения дискретных порций ацетилхолина и ускорения этого выделения при различных естественных и экспериментальных условиях. Во всяком случае, эти предположения позволяют свести воедино функциональный и морфологический подход к одной и той же проблеме.
Ввиду скудности сведений, которыми мы располагаем, мы совершенно не коснулись многих интереснейших проблем длительных взаимодействий и приспособительных модификаций, которые, несомненно, происходят в нервной системе. Для изучения этих проблем физиологии, вероятно, придется разработать совершенно новые методы, не похожие на прежние. Возможно, что наша приверженность методам, позволившим столь успешно исследовать кратковременные реакции возбудимых клеток, помешала нам глубже проникнуть в проблемы обучения, памяти, выработки условных рефлексов, а также структурных и функциональных взаимодействий между нервными клетками и их соседями.
