4. Трофическая роль сомы

Другая группа результатов связана с развитием исследований трофической роли сомы нервной клетки. Развитие изотопных мето­дов измерения скорости транспорта различных соединений из сомы нервной клетки в отростки позволило сделать исходные, чисто ка­чественные, представления о трофической функции сомы предме­том количественных исследований. Были получены точные данные о скорости такого транспорта, который был разделен на быстрый и медленный компоненты. Первый составляет несколько миллимет­ров в час, а второй — несколько миллиметров в сутки. Эти величи­ны оказались весьма постоянными даже у различных животных и зависящими в основном от температуры. Однако количество транс­портируемых из клетки веществ в большой степени зависит от ак­тивности клетки При длительном возбуждении количество транс­портируемых веществ существенно увеличивается, что связано с усиленной электрической активностью. Интенсивность транспорта обусловливается процессами, происходящими именно в соме клет­ки, а не в отростках, так как сома чувствительна к ионному составу среды у наружной поверхности соматической мембраны и не зави­сит от таких изменений возле мембраны аксона. Указанные данные привели к представлению о том, что именно в соме клетки локали­зован механизм сопряжения между поверхностной мембраной и внутриклеточными процессами, позволяющий изменять интенсив-

36

Глава I. Нейрофизиология. Клеточные основы обучени

5. Пейсмекерный потенциал

37

А Л Л

ность последних в зависимости от уровня специфической активности клетки.

Современные исследования показывают, что характерная черта всех нервных клеток — это сложная структурная организация, вы­ражающаяся в наличии многочисленных и протяженных отростков. Функциональным назначением этих отростков является, во-пер­вых, восприятие внешних воздействий и трансформация их в изме­нение проницаемости поверхностной мембраны и соответственно в изменение внутримембранного электрического поля, во-вторых, ге­нерация и распространение незатухающего сигнала — потенциала действия, в-третьих, образование и выделение по сигналу медиа-торных химических веществ, оказывающих свое действие на после­дующие клетки. Основной клеточный механизм, на котором стро­ится эта цепь процессов, — электрическая возбудимость, наличие которой является давно известным свойством аксонных отростков. Вопрос о наличии и функциональном значении электрической воз­будимости сомы клетки и ее дендритов является во многих отноше­ниях неясным. Между тем точное его решение имеет важнейшее значение для понимания ряда кардинальных проблем функциони­рования нервной системы.

5. Пейсмекерный потенциал

Одна из удивительных электрических активностей нейронов, регистрируемая внутриклеточным микроэлектродом, это пейсме-керные потенциалы (рис. 4). Осциллирующие потенциалы нервной клетки, не связанные с поступлением к ней синаптических влия­ний, впервые были описаны А. Арванитаки. Эти колебания могут превышать критический уровень потенциала, необходимый для ак­тивации механизма электрической возбудимости. Наличие в соме клетки таких волн мембранного потенциала было обнаружено на нейронах моллюсков. Они были расценены как проявление спон­танной, или авторитмической активности, имеющей эндогенное происхождение. Аналогичные ритмические колебания во многих других типах нейронов позже также были описаны. Появление ме­тодов внутриклеточного анализа электрической активности нерв­ных клеток позволило показать, что ритмическая активность ней­ронов может быть основана на различных механизмах. Ритмич­ность разрядов нейронов многих структур мозга (таламуса, гипота­ламуса и т. д.) обусловлена прежде всего поступлением к этому нейрону ритмических синаптических влияний (сетевая основа рит­мичности).

Рис. 4 Пейсмекерный потенциал, недостигающий порога генерации потенциала действия

В то же время многие подкорковые структуры и прежде всего ре­тикулярная формация содержат нервные клетки, ритмичность разря­да которых вызвана не монотонным синаптическим воздействием, а обусловлена существованием специального внутриклеточного меха­низма, деятельность которого может приводить к возникновению рит­мической спайковой активности (эндогенная основа ритмичности). Этот механизм, названный пейсмекерным, является в достаточной степени универсальным и встречается у нейронов животных различ­ных эволюционных уровней. Деятельность пейсмекерного механизма не ограничивается только участием в формировании ритмической спайковой активности клетки, но вносит свой вклад и в пластические свойства нейронов.

В процессе развития мозга соотношение сетевых и эндогенных факторов в механизмах пластичности меняется. По мере увеличе­ния числа нейронов и совершенствования связей в филогенетичес­ки новых структурах (новая кора) пейсмекерный механизм пере­стает обнаруживаться, а доминирующими в формировании ритми­ческой активности нервной клетки становятся экзонейрональные факторы. Можно предположить, что прекращение работы пейсме­керного механизма в новых структурах мозга связано с развитием и усилением тормозных связей в ЦНС, т.е. с усложнением нейронной организации пейсмекерный механизм нейронов мозга высших жи­вотных не исчезает, а переходит в латентное состояние, что связано с высоким уровнем мембранного потенциала корковых нейронов. В некоторых случаях, например, при патологии мозга, активиро­ванный пейсмекерный механизм может существенно изменить ре­акцию нейрона. Предположение о возможности существования ла­тентного пейсмекерного механизма в нейронах высших животных можно подкрепить следующими данными. Если в обычных услови­ях нейроны симпатических ганглиев не обладают фоновой спайко­вой ритмикой, то в результате хронической денервации эти нейро­ны начинают генерировать ритмические спайковые разряды. Паттерн такой фоновой активности очень схож с активностью этих

38

[ лава I I (еирофизиоло! ия Клеточные основы обучения

же нейронов на ранних стадиях онтогенеза, когда спайки могут возни­кать только под влиянием внутриклеточных факторов, так как синап-тические связи не получили еще должного развития. Следовательно, пейсмекерный механизм этих нейронов в онтогенезе не исчезает, но переходит в латентное состояние.

Наиболее подробно пейсмекерный механизм и его функция изуче­ны на простых нервных системах, обладающих рядом методических преимуществ. Пейсмекерный механизм хорошо представлен в нейро­нах ЦНС моллюсков. Что же такое пейсмекерный потенциал? Чем он отличается от других местных потенциалов нервной клетки? Как пейсмекерный потенциал взаимодействует с постсинаптическими по­тенциалами?

Пейсмекерными потенциалами в собственном смысле этого слова называют близкие к синусоидальным колебания с частотой 0,1 —10 гц, амплитудой 5—10 мВ (рис. 4). Именно эта категория эн­догенных потенциалов, связанных с активным транспортом ионов, образует механизм внутреннего генератора нейрона, обеспечиваю­щего периодическое достижение порога генерации ПД в отсутствие внешнего источника возбуждения. В самом общем виде нейрон представляется состоящим из электровозбудимой мембраны, хими­чески возбудимой мембраны и локуса генерации пейсмекерной ак­тивности. Пейсмекерный потенциал, взаимодействующий с хемо-возбудимой и электровозбудимой мембраной, делает нейрон уст­ройством со «встроенным» управляемым генератором. Потенциал действия (ПД), возникающий на пейсмекерной волне, называется пейсмекерным потенциалом действия, чтобы отличить его от по­тенциалов действия, возникающих при приходе ВПСП (синапти-ческие ПД). Эндогенная внутриклеточная природа пейсмекерных потенциалов подтверждается их сохранением после полной изоля­ции нейрона и независимостью их частоты от сетевых эффектов. Такие синусоидальные эндогенные осцилляции мембранного по­тенциала лежат в основе ритмической спайковой активности ней­ронов многих беспозвоночных.

Форма пейсмекерного потенциала. Пейсмекерный потенциал, отводимый внутриклеточным микроэлектродом от сомы нейрона моллюска, имеет синусоидальную или пилообразную форму. Пейс-мекерные потенциалы встречаются в виде регулярных колебаний, групп колебаний, сначала возрастающих, а затем убывающих по амплитуде волн. В условиях, когда пейсмекерные потенциалы не достигают порога генерации потенциала действия (ПД), удается из­мерить их амплитуду, которая обычно составляет от 5 до 25 мВ (рис 5).

5 Пейсмсксрныи потенциал

39

Рис 5 Виды фоновой активности изолированных клеток улитки Helix pomatia a — мол­чащий нейрон Потенциалы действия генерируются в ответ на предъявление внутрикле­точного деполяризационного импульса тока силой 1,5 нА длительностью 5 с (амплитуда ПД полностью не прописана); б — фоновые регулярные ПД, генерация которых связана с активным пейсмекером, достигающим порога генерации спайка, в — фоновые ПД, генерация которых связана с активным пейсмекером, организованным в группы по два, г— пейсмекерная активность, недостигающая порога генерации спайка

П ейсмекерный потенциал по своей форме отличается не только от круто нарастающей деполяризации при развитии ПД, по и от деполя­ризации, связанной с ВПСП, у которого передний фронт отчетливо более крутой, чем плавно спадающий задний. Фаза реполяризации пейсмекерного потенциала, возвращающая мембранный потенциал (МП) к исходному уровню, отличается и от тормозных постсинапти-ческих потенциалов (ТПСП), которые характеризуются крутым от­клонением от исходного уровня мембранного потенциала (МП) в на­правлении гиперполяризации.

В тех случаях, когда пейсмекерный потенциал достигает порога генерации ПД, наблюдается переход деполяризационной волны пейс­мекерного потенциала в потенциал действия. Задний фронт пейсме­керной волны в этом случае суммируется со следовой гиперполяриза­цией потенциала действия. В зависимости от типа пейсмекерного по­тенциала наблюдаются регулярные групповые и одиночные ПД. При сравнении разных пейсмекерных потенциалов, лежащих ниже порога генерации с ПД, становится очевидным, что все пейсмекерные потен­циалы обладают общими свойствами, отличными от свойств потенци­алов действия.

шния

40