- •Глава 1 структура механорецепторов
- •Механорецепторы беспозвоночных
- •Глава 2
- •Глава 3
- •Глава 4
- •Лаааааааааааааааааааааааааалалаааааалллаа| аааааааааааааааааад
- •Глава 5
- •1/4 Всех гамма-мо- торных волокон
- •3/4 Всех гамма-мо- торных волокон
- •Глава 6
- •Глава 7
- •Эндолимфатические потенциалы
- •Глава 8
- •Механорецепторы беспозвоночных животных
- •Глава 9
- •Глава 10
- •Глава 11
- •Мсек.; калибровка — 50 мкв.
Глава 8
НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАБОЛИЗМА И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА В МЕХАНОРЕЦЕПТОРАХ
Одним из важнейших путей изучения механорецеп- торных структур является анализ биохимических процессов, лежащих в основе деятельности этих сенсорных образований. Ибо без понимания того, откуда рецепторы черпают энергию для своей работы и каким образом они ее расходуют, невозможно приблизиться к сущности протекающих в них явлений. Важным является и выяснение вопроса о связи тех или иных биохимических процессов со специфической механорецепторной функцией. Такого рода работы ведутся с преодолением больших технических трудностей. На сегодняшний день в литературе имеются определенные данные, полученные гистохимическими методами, говорящие о наличии того или иного вещества в структуре механорецепторов, имеются также описательные оценки изменения содержания этих веществ в связи с состоянием возбуждения или угнетения чувствительного прибора.
Тканевые механорецепторы позвоночных
Анализ вопросов гистохимии представляет особый интерес применительно к тканевым механорецепторам. Именно в связи с обнаружением в составе этих структур большого количества окислительных ферментов удалось сформулировать представление об интенсивном окислительном обмене, обеспечивающем механорецепторную деятельность. Помимо этого обнаружение в механорецепторных структурах холинэстеразы и других биологически активных веществ явилось основанием для гипотезы, которую можно назвать медиаторной гипотезой, рассматривающей этот тип сенсорных приборов как вторичночувствующие.
Гистохимическое изучение инкапсулированных механорецепторов (телец Пачини, Мейсснера, Гербста, Грандри, колб Краузе и т. д.) проводилось в работах многих авторов (Португалов, 1955; Quilliam, 1958; Саппа, 1960, 1961, 1962; Улумбеков, 1964а, 19646,
1973; Shanthaveerappa, Bourne, 1966; Волкова, 1972a, 1973, и мн. др.). В этих исследованиях было установлено, что данные рецепторные образования обнаруживают высокую активность различных ферментов, таких как холинэстераза, аденозинтрифосфатаза , щелочная и кислая фосфатазы, сукцинатдегидрогеназа, цитохромоксидаза, лактатдегидрогеназа и т. д., а также большое количество разнообразных веществ. Активность ферментов в рецепторах намного превышала активность в окружающих тканях и в нервных волокнах,' отходящих от рецепторов. В большинстве случаев распределение ферментов внутри рецепторов оказалось неравномерным (рис. 106).
Ферменты окислительного обмена. Высокая активность сукцинатдегидрогеназы, осуществляющей окисление янтарной кислоты (сукцината) до фумаровой в цикле трикарбоновых кислот, была установлена в нервном окончании телец Пачини и колб Краузе, а в прилежащих к осевому цилиндру структурах внутренней колбы и в отходящем нервном волокне активность этого же фермента оказалась незначительной (Португалов, Яковлев, 1955; Улумбеков, 1965). Более того, в самом нервном окончании телец Пачини и колб Краузе сукцинатдегидрогеназа располагалась неравномерно: в основном около внутренней поверхности рецепторной мембраны, что может быть объяснено соответствующей локализацией в этих рецепторах митохондрий, в которых содержится данный фермент (Улумбеков, 1965; Улумбеков и др., 1972). Другой фермент аэробного окисления — цитохромоксидаза — был обнаружен как в нервных окончаниях, так и во внутренней колбе телец Мейсснера и Пачини (Steigleder, Schultis, 1958; Montagna, Yun, 1961; Улумбеков, 1965), а также и в некоторых других инкапсулированных рецепторах кожи (Steigleder, 1957; Montagna, Yun, 1962а; Parakkal et al., 1962). Улумбеков (1965), изучавший распределение этого фермента также и в колбах Краузе, нашел, что цитохромоксидаза локализуется только в осевом цилиндре и более нигде. Он же указывает и на преимущественную локализацию митохондриальной глицерофосфатдегидрогеназы в собственно нервном окончании. Все эти данные позволяют говорить о значительно более высоком уровне аэробного окисления в нервных окончаниях по сравнению с окружающими их глиальными структурами, где не удалось обнаружить ферментов этой группы. Другие ферменты (дегидрогеназы молочной, глутаминовой и яблочной кислот, глицерофосфата, глюкозо-6-фосфата, а также НАД- и НАДФ-диафоразы), по данным Улумбекова (1965), присутствуют как в нервном окончании колб Краузе, так и в элементах внутренней колбы.
В одном из немногих гистохимических исследований, носящих количественный характер, было установлено, что в тельцах Пачини наблюдается так называемый сердечный тип изоферментного спектра лактатдегидрогеназы, характерный для структур, обладающих высоким уровнем аэробного окислительного метаболизма
jtf-Ф-Е
- я it
ю daft rwj
АТФаза
S
к я to сб к
ч
о S, Й
и
я и о щ S ф ч й >> д
со
О
рц
gt4®2
5
*i й •« *8* о о .-g 2 « »к 2f SggS'
5sf§
о О О СО М S’S'S Щ и к 2«и2
Н
W Z ё§| I ”0§
S
бл 3 « я® м § i Ьч и Ф 1
н§е?
I Sfcfcc I gSco 5 I <s
s ffil g § . *a E"1
o “SiflSg §-i& |g°g O w w S
2
Сб я ilSi И ко Сб Ф . h-f «gl^ ’ sg« Ьч ИйЦ co HO
cs „&.. И
s
х
gaga
liKg
ф
i 2 <=■!§§ gm g to
K©
Kl
tf
t! to &O I tf • &K 1
О Сб О СО
KJ
сб И w ..и со « U g 2
о
&to и a о Ф tr
1ИЙ
oz;
и лХ вЧ8Ё°
1
-Ht S Й £• I I « ih1
J?
§Ш® 01
&|
.Bg i^gh ь-<ЕЦ ём1^
(Улумбеков и др., 1972). Авторы полагают, что лактатдегидрогеназа (ЛДГ) локализуется в митохондриях нервного окончания. После кратковременной (30—60 сек.) механической стимуляции рецепторов было обнаружено увеличение активности отдельных изоферментов (ЛДГХ и ЛДГ2). По мнению авторов, изменение ферментативной активности обусловлено изменением пространственной молекулярной или надмолекулярной структуры, возможно, в результате тех ионных сдвигов, которые происходят в рецепторе при возбуждении. В ряде инкапсулированных рецепторов кожи у крыс и некоторых приматов обнаружена высокая активность моноаминоксидазы, а также фосфорилазы (Montagna, Yun, 1962а).
Фосфатазы. Изучение аденозинтрифосфатазы (АТФазы) в тельцах Пачини, проведенное Португа- ловым (1955), показало, что она локализуется лишь в области центральной колбы. Цитоплазма нервного окончания не содержала активного фермента. В мякотном нервном волокне, отходящем от рецептора, фермент выявлялся только на оболочках. По мнению других авторов (Машанский, Миркин, 1969), АТФаза в тельцах Пачини обнаруживается на различных мембранах, особенно на мембранах митохондрий. Авторы считают, что АТФаза имеется и на мембране нервного окончания, преимущественно в области щели, разделяющей внутреннюю колбу рецептора. Зона щели, по-видимому (см. стр. 22), проводит основной поток питательных веществ от капилляров к нервному окончанию. В литературе имеются также указания на наличие АТФазы в свободных нервных окончаниях и в нервах кожи (Mustakallio, 1962; Wolff, 1963). В целом следует заметить, что данный вопрос изучен еще совершенно недостаточно, особенно если учесть ту огромную роль, которую играют АТФ-ге- нерирующие системы в деятельности различных клеточных структур, в частности в явлениях проницаемости (см. обзоры: Никольский, 1965; Поглазов, 1965, и др.) и в особенности при различных механо- химических преобразованиях (Энгельгардт, 1957).
В тельцах Пачини и в колбах Краузе, взятых у кошки, высокая активность щелочной фосфатазы была обнаружена в структурах внутренней колбы, а также в ядрах эндотелия капилляров в проксимальных частях рецепторов (Португалбв, 1955; Аф- риканова, 1958; Улумбеков, 1965; Волкова, 1973). В нейрональной части рецепторов активность фермента практически не выявлялась. На поперечных срезах через тельца Пачини хорошо было видно отсутствие щелочной фосфатазы в аксоплазме нервного окончания (Волкова, 1973). Сходные результаты были получены и на других инкапсулированных нервных окончаниях кожи ряда животных: коровы, кошки, леопарда, льва, низших обезьян (Winkelmann, 1960а, 1960b, 1961, 1962а, 1962Ь, 1962с, 1963; Scheen, Winkelmann, 1961; Winkelmann, Myers, 1961; Parakkal et al., 1962; Zolman, Winkelmann, 1962). У других животных (морской свинки, кролика, собаки, енота, орангутанга, шимпанзе) и ряда птиц обнаружить щелочную фосфатазу в таких же инкапсулированных рецепторах кожи не удалось. Отсутствовала она также в тельцах Пачини и Мейсснера в коже человека. Вместе с тем ее наблюдали во внутренней колбе телец Гербста у кур (Голикова, 1963). Поэтому можно говорить о наличии видовых особенностей в распределении этого фермента (Scheen, Winkelmann, 1961; Winkelmann, 1963; Улумбеков, 1965).
В тех случаях, когда щелочная фосфатаза в рецепторе присутствовала, денервация не изменяла ее активности, что говорит о ненейрональной локализации фермента (Winkelmann, 1962b). Следует, однако, указать, что при изучении барорецепторов дуги аорты собаки щелочная фосфатаза выявилась преимущественно в нервных^окончаниях и особенно в их претерминальных отделах (Лаврентьева, Хайсман, 1962; Хайсман, Лаврентьева, 1963).
При вибрационном воздействии на тельца Пачини активность щелочной фосфатазы значительно уменьшалась по сравнению с контролем. Изменение активности фермента могло быть весьма локальным. При раздражении ограниченных зон рецептора с удаленной наружной капсулой можно было отметить весьма локальное уменьшение активности фермента по сравнению с соседними неактивированными участками (Волкова, 1973). В других исследованиях (Португалов, 1955; Африканова, 1958) также отмечалось изменение уровня активности щелочной фосфатазы при различного рода воздействиях на тельца Пачини и на органы, в которых они расположены. Поскольку в упоминаемых экспериментах эти изменения имели место как при физиологических (пищевые нагрузки), так и при экспериментальных воздействиях (электрический ток, рентгеновское > облучение), следует заключить, что наблюдавшиеся сдвиги носили неспецифический характер.
Кислая фосфатаза в отличие от щелочной менее активна в области внутренней колбы телец Пачини, зато хорошо выявляется в нервном волокне (Португалов, 1955; Улумбеков, 1965; Волкова, 1973). При вибрационных воздействиях (Волкова, 1973), а также при электрическом раздражении (Португалов, 1955) активность фермента уменьшалась как в немиелинизированной, так и в мякотной части нервного волокна, а кроме того и в области, прилежащей к нервному волокну.
Нуклеиновые кислоты. Исследования распределения в тельцах Пачини и Гербста нуклеиновых кислот показали (Голикова,
1963; Волкова, 1973), что они в большом количестве содержатся во внутренней колбе (преимущественно в ядрах клеточных элементов). При вибрационном воздействии содержание РНК увеличивалось, что может, по-видимому, свидетельствовать об усилении процессов синтеза белка (Волкова, 1973).
Холинэстеразы, Медиаторная гипотеза
С точки зрения ряда авторов (Nachmansohn, 1959; Koelle, 1961, 1962, 1963; Robertas, 1964), наибольший интерес представляют данные о наличии в инкапсулированных рецепторах холинэстеразы. В тельцах Пачини у кошки и человека высокая активность холинэстеразы была выявлена во внутренней колбе (Португалов, 1955; Hebb, Hill, 1955а, 1955b; Beckett et al., 1956; Ganna, Mannan, 1958, 1959; Coupland, 1958; Ghouchkov, 1968). При детальном исследовании этого вопроса с помощью электронномикроскопического метода Улумбеков и др. (1973) показали, что высокая активность нескольких форм неспецифической холинэстеразы связана в основном с плазматическими мембранами отростков клеток внутренней колбы. Под влиянием кратковременного раздражения рецепторов отмечалось увеличение активности по крайней мере одной из молекулярных разновидностей холинэстеразы, что, по мнению авторов, может быть объяснено соответствующей конформацией молекулы основной формы фермента.
В колбах Краузе различных животных также была выявлена высокая активность холинэстеразы (Португалов, 1955; Hurley, 1958; Montagna, Beckett, 1958; Winkelmann, 1960a, 1960b, 1962a, 1962b; Cauna, 1961; Fitzgerald, 1962; Giacometti, Montagna, 1962; Улумбеков, 1965). Наиболее активно реакция на холинэстеразу протекала в элементах внутренней колбы. В нервном окончании активность фермента была небольшой.
Наличие бутирилхолинэстеразы (неспецифической холинэстеразы) было отмечено в тельцах Мейсснера кожи у крыс (Gsil- lik, Savay, 1954; Hashimoto et al., 1963) и у человека (Beckett et al., 1956; Hurley, Mescon, 1956; Steigleder, 1957; Thies, Galente, 1957; Cauna, 1961). Фермент был локализован в пластинчатых структурах рецепторов и отсутствовал в собственно нервных окончаниях (Hurley, Mescon, 1956; Cauna, 1960, 1962, 1966, 1968; Cauna Ross, 1960). В клетках Меркеля и прилежащих к ним нервных окончаниях холинэстераза не была выявлена (Cauna, 1960, 1966, 1968).
Высокая активность холинэстеразы (правда, во многих случаях это была бутирилхолинэстераза) обнаружена и в других кожных чувствительных нервных окончаниях (Montagna, Ellis, 1957, 1960; Thies, Galente, 1957; Hurley, 1958; Montagna, Beckett, 1958; Winkelmann, Schmit, 1959a, 1959b; Montagna, 1960; Cauna, Alberti, 1961; Montagna et al., 1961; Montagna, Yun, 1962a, 1962b;
Parakkal et al., 1962; Winkelmann, 1962a, 1962b; Cauna, 1966, 1968, и др.). Опыты с денервацией показали, что холинэстераза локализуется в инкапсулированных рецепторах исключительно в ненейрональных структурах: она сохранялась после перерезки нервных волокон в течение длительного периода вплоть до регенерации сенсорных приборов (Csillik, Savay, 1954; Winkelmann, 1962с; Улумбеков, 1965).
Несомненный интерес представляет работа Левенстайна и Мо- линза (Loewenstein, Molins, 1958), в которой было установлено, что в тельцах Пачини холинэстераза, содержащаяся в области центральной колбы, может расщепить 1390 мг ацетилхолина в 1 час из расчета на 1 г веса ткани. (Такое же количество ткани периферической части капсулы могло бы катализировать расщепление лишь 3 мг ацетилхолина). Таким образом, оказалось, что глиальные элементы, непосредственно окружающие нервное волокно в тельцах Пачини, способны гидролизовать 0.7-109 молекул ацетилхолина за 1 мсек., что весьма близко к числу 1.6 -Ю9 молекул ацетилхолина, полученному для одиночной концевой пластинки портняжной мышцы лягушки (Nachmansohn, 1955). Правда, в случае телец Пачини речь шла о неспецифической холинэстеразе (Hebb, Hill, 1955b; Loewenstein, Molins, 1958).
Мысль о том, что глиальные элементы в различных инкапсулированных нервных окончаниях принимают непосредственное участие в процессе восприятия внешнего стимула давно высказывалась в той или иной форме многими морфологами, а позднее и рядом гистохимиков (Лавдовский, 1885а, 18856, 1885в; Лаврентьев, 1943; Винников, 1946; Португалов, 1955; Миславский, Маслов, 1958; Nachmansohn, 1959; Саппа, 1960; Koelle, 1962; Robertis, 1964, и др.). Так, например, Португалов (1955), который обнаружил высокую концентрацию ряда биохимически активных веществ в глиальных элементах, окружающих нервное волокно телец Пачини, прямо пишет, что это «может служить доказательством участия глии в процессах трансформации стимула в нервный импульс» (стр. 205).
Таким образом, гистохимики склонны приписывать глиальным структурам инкапсулированных механорецепторов функцию рецепции по критерию наличия в этих структурах большого количества различных биологически важных соединений. Морфологи же считают их чувствительными элементами по аналогии с рецепти- рующими клетками органов чувств, имея в виду вторичные механорецепторы органов слуха, вестибулярного аппарата, боковой линии. Для инкапсулированных рецепторов это положение обосновывалось существованием весьма тесной связи между глиальными структурами капсулы и нервным окончанием, которое они окружают. В дальнейшем указанное представление получило как будто бы дополнительное подтверждение в работах с применением электронной микроскопии (см. главу 1). Так, было установлено, что в глиальные клетках телец Мейсснера имеются вези
кулы, сходные с везикулами пресинаптических терминалей (Санна, 1960, 1962; Cauna, Ross, 1960). Наличие везикул отмечали в клетках вспомогательных структур в тельцах Пачини (Polacek, Maza- nek, 1966; Черепнов, 1968а, 19686; Chouchkov, 1973а,, 1973b, 1974), в тельцах Меркеля (Andres, 1966; Iggo, Muir, 1969; Winkelmann, Breathnach, 1973) и в других рецепторах (Munger, 1971; Andres, During, 1973). Кроме того, в тельцах Мейсснера (Cauna, Ross, 1960), дисках Меркеля (Andres, 1966; Iggo, Muir, 1969; Andres, During, 1973) и в других образованиях отмечалось утолщение мембраны нервного окончания в области прилежания структур, содержащих везикулы, что могло рассматриваться как признак синаптического контакта.
Итак, с изложенной точки зрения цепь событий, происходящих в различных тканевых инкапсулированных механорецепторах, в частности в тельцах Пачини, можно представить себе следующим образом. Внешний стимул действует на глиальные клетки, последние выделяют медиатор, скорее всего ацетилхолин (если исходить из представленных выше данных о холинэстеразе), который вызывает в нервном окончании возникновение возбуждения. Таким образом, функция рецепции специфической энергии внешнего стимула должна быть приурочена к глиальным клеткам, а не к нервному окончанию, которое рассматривается как обычная постсинаптическая структура. Следовательно, инкапсулированные механорецепторы (а по мнению некоторых исследователей, и другие тканевые механорецепторы), согласно этой точке зрения, являются не первичными, а вторичными сенсорными структурами.
К изложенной гипотезе химического раздражения нервного окончания в инкапсулированных механорецепторах примыкает и представление, выдвинутое Кёлле, (Koelle, 1961, 1962, 1963). Не отрицая возможность выделения медиатора (ацетилхолина) из глиальных элементов, данный автор считает, что в ряде случаев, например в тельцах Пачини, действующий адекватный раздражитель вызывает выделение ацетилхолина из самого нервного окончания. Выделенный ацетилхолин действует на наружную поверхность мембраны и вызывает тем самым возникновение возбуждения в рецепторе. Ацетилхолин, по мнению Кёлле, локализуется в тех везикулах, которые в большом количестве были обнаружены морфологами в собственно нервных окончаниях различных рецепторов, в том числе и тельцах Пачини и Мейсснера (Pease, Quilliam, 1957; Cauna, 1960, 1962; Cauna, Ross, 1960; Cordier, 1964; Черепнов, 1968a; Машанский, Миркин, 1969; Spencer, Schaumburg, 1973, и др.).
Несмотря на внешнюю убедительность медиаторной гипотезы, сейчас уже имеются данные, позволяющие, по-видимому, от нее отказаться (см. напр., морфологические работы: Cauna, 1966, 1968, 1974; Chouchkov, 1973а, 1973b, 1974). Это явилось следствием того, что при строгом рассмотрении материала на основании чисто морфологических критериев оказалось цевозмощцым рассматривать участок тесных контактов между нервными и прилежащими к ним клеточными структурами в механорецепторах как синаптическую щель (подробнее см. главу 1). Везикулы же, обнаруживаемые как в нервных окончаниях, так и в клетках вспомогательных структур, по-видимому, можно считать результатом метаболических явлений (эндо- и экзоцитоза), связанных с поглощением питательных веществ, а также с выделением продуктов обмена (см., например: Cordier, 1964; Ильинский и др., 1968; Черенков, 1968а; Саппа, 1968; Iggo, Muir, 1969).
Впрочем, нельзя исключить и активную секрецию окружающими нервные окончания структурами . биологически активных веществ, влияющих на чувствительность рецепторов (Черепнов, 1969; Дмитриева и др., 1973). Важная роль глиальных элементов в поддержании трофики нервных структур всегда отмечалась исследователями, работавшими в области исследования функций нервной системы (подробнее см. главу 9). Это положение тем более справедливо в отношении рецепторных приборов, обмен веществ в которых, по-видимому, очень интенсивен, о чем говорит, например, обилие митохондрий, локализованных в сенсорных структурах. Поэтому содержание во вспомогательных клетках огромного количества разнообразных биологически активных веществ, набор которых, как правило, неспецифичен в различных рецепторах, не есть какое-либо необычное явление. И оно, конечно, не может рассматриваться как бесспорный довод в пользу осуществления вспомогательными клетками рецепторной функции.
Очевидно, что решение вопроса о принадлежности того или иного сенсорного прибора к первичным или вторичным рецепторным образованиям может быть основано лишь на большом количестве данных, полученных разными методами (морфологическими, гистохимическими, физиологическими, фармакологическими). Если не считать мышечные веретена, в отношении которых у исследователей существует единое мнение — все относят их к первичным сенсорным образованиям, — то в настоящее время лишь один вид тканевых механорецепторов подвергся такому всестороннему обследованию. Это — тельца Пачини. Тельца Пачини и их разновидности широко распространены в коже, внутренних органах, опорно-двигательном аппарате (см. главу 1). Их, несомненно, можно считать одним из наиболее типичных представителей инкапсулированных механорецепторов. Следовательно, сделанные в их отношении выводы могут с достаточной долей вероятности быть экстраполированы и на другие сходные образования. Имеющиеся в настоящее время данные, касающиеся телец Пачини, полученные различными группами исследователей, дают основание утверждать, что эти сенсорные приборы являются первичными механорецепторами (J. А. В. Gray, 1959а; Ильинский, 1965, 1966е, 1967; Loewenstein, 1965, 1971; Nishi, Sato, 1968; Ильинский, Волкова и др., 1974). Об отсутствии строгих морфологических данных, которые могли бы свидетельствовать о существовании синаптических контактов между элементами внутренней колбы и нервных окончаний в тельцах Пачини, уже говорилось.
Несомненным доводом в пользу медиаторной гипотезы работы механорецепторов могли служить опыты, в которых было бы показано, что ацетилхолин (как наиболее вероятный кандидат на роль медиатора) вызывает возникновение возбуждения в механорецепторах и что его эффект может суммироваться с действием адекватного раздражения. Действительно, как отмечалось выше (стр. 301), подведение ацетилхолина в ряде случаев вызывало появление или увеличение импульсной активности механорецепторов. Однако, как было показано в специальном исследовании (Акоев и др., 19746), проведенном на тельцах Пачини, этот эффект целиком должен быть отнесен за счет деполяризующего действия ацетилхолина на афферентное нервное волокно (регенеративную систему генерации).
Ацетилхолин в большом диапазоне концентраций (1«10-6 — 1«10“3 г/мл) не оказывал никакого влияния на РП. При очень высоких концентрациях (10“2 г/мл) наблюдалось даже уменьшение амплитуды РП, что легко может быть понято в связи с неспецифическим деполяризующим действием ацетилхолина. О неучастии этого вещества в первичных процессах в тельцах Пачини и других механорецепторах говорят опыты с применением различных холинолитических препаратов (стр. 302).
Таким образом, следует заключить, что наличие холинэстеразной активности в клеточных элементах вспомогательных структур является, по-видимому, лишь отражением достаточно неспецифических явлений. К такого рода заключению приходят различные авторы (Ильинский, 1967; Winkelmann, 1968).
Данные физиологических исследований также говорят против участия каких бы то ни было медиаторов в первичных процессах, протекающих в тельцах Пачини при действии на них адекватного раздражения. Здесь прежде всего следует отметить очень краткий латентный период возникновения РП. Как отмечалось, минимальный скрытый период ответной реакции телец Пачини (при температуре 18—20° и отведении потенциала от места выхода нервного волокна из капсулы рецептора) может составлять менее, чем 0.2 мсек. (J. А. В. Gray, Sato, 1953). По данным Ильинского (1966г), эта величина при температуре тела животного может быть равна 0.15 мсек. Расчет момента возникновения РП в точке раздражения (Ильинский, 1966е) показывает, что латентный период едва ли превышает 0.06 мсек., а данная величина существенно меньше минимального времени чисто медиаторной синаптической передачи (Eccles, 1957, 1964). Заметим, что и у других первичных механорецепторов (например мышечных веретен или волосковых механорецепторов беспозвоночных) латентное время возникновения РП имеет сходную величину.
Не могут получить объяснения с точки зрения медиаторной гипотезы и факты, относящиеся к изучению явления гиперполяризации в тельцах Пачини, а также связанного с ним феномена дирекционной чувствительности этих рецепторов (Ильинский, 1965, 1966г, 1966ж; Ильинский, Волкова, 1966; Ильинский и др., 1968; Nishi, Sato, 1968). В экспериментах (подробнее см. главу 10) было показано, что при одном направлении раздражения (совпадающем с малой поперечной осью нервного окончания) в рецепторе генерируется деполяризационный РП. При другом направлении воздействия (под прямым углом к предыдущему и совпадающем с большой поперечной осью нервного окончания) в рецепторе возникает гиперполяризационный РП. Данное явление невозможно объяснить с позиций медиаторной теории, не прибегая к построению сложных и малоубедительных схем. Например, следовало бы предположить либо выделение другого по своей природе тормозного медиатора при противоположном направлении, либо противоположный характер действия разных концентраций одного и того же медиатора при зависимости концентрации медиатора от направления деформации, либо еще какой-либо не менее сложный гипотетический вариант, не подтверждаемый фактическим материалом.
Медиаторная гипотеза совершенно не может дать объяснения и фактам, связанным с эллиптической формой нервного окончания в тельцах Пачини. Как показывают расчеты (Ильинский и др., 1968; Ильинский, Волкова и др., 1974), эллиптическая форма нервного окончания в тельцах Пачини обеспечивает максимальную чувствительность этим рецепторам при действии механического раздражения: минимальные линейные деформации вызывают максимальные изменения площади поверхности рецепторной мембраны (см. стр. 442). С позиций медиаторной гипотезы, форма нервного окончания в тельцах Пачини и ряде других тканевых механорецепторов не имеет явного значения и не получает никакого объяснения.
Если же говорить о значении глии в деятельности этих механорецепторов, то учитывая наличие в ней большого количества биохимически активных веществ, можно признать за глиальными элементами осуществление важной трофической функции, например, участия в энергетическом обеспечении деятельности ионных насосов. Как будет показано далее (глава 9), тканевые клеточные элементы, по-видимому, оказывают влияние и на некоторые процессы в рецепторах, которые определяют специфичность механо- рецепторной реакции. Тканевые элементы играют огромную роль в развитии и осуществлении функции механорецепторов, но прямого участия в актах рецепции они не принимают.
В настоящее время в отношении почти всех тканевых механорецепторов, по-видимому, можно говорить с уверенностью о том, что они являются первичными сенсорными приборами. Лишь в отношении телец Меркеля сейчас еще существуют споры. Как отмечалось в главе 1, тельца Меркеля содержат специализированную клетку Меркеля, примыкающую к нервному окончанию. Является ли эта клетка чисто вспомогательной структурой (Winkel- mann, Breathnach, 1973), или же она может выполнять также роль рецептирующей клетки (Horch et al., 1974), могут показать только дальнейшие эксперименты.
Механорецепторы органов чувств позвоночных
В литературе имеется большое количество работ, посвященных изучению содержания различных веществ и проблемам метаболизма в сенсорных структурах органа слуха, вестибулярного аппарата, органов боковой линии (обзоры: Винников, Титова, 1961; Beck, 1964; Rauch, 1964; Ishii et al., 1966; Титова, 1968; Vosteen, 1970; Винников, 1971; Винников и др., 1971; Schatzle, 1971).1 Эти исследования представляют несомненный интерес не только в связи с необходимостью изучения различных сторон метаболизма рецепторных приборов, но и для выяснения ряда специфических особенностей деятельности механорецепторов органов чувств. Кроме того, наличие синаптических контактов между рецепторами и нервными волокнами требует выяснения природы медиаторов, участвующих в процессах синаптической передачи. Наконец, отдельные исследователи пытаются с помощью гистохимических методов приблизиться к пониманию первичных процессов, протекающих в волосковых механорецепторах.
Уже обычные морфологические исследования, показавшие обилие митохондрий в волосковых рецепторах, нервных волокнах и нервных окончаниях лабиринта позвоночных, позволили с большой долей вероятности говорить о высоком уровне обменных процессов, протекающих в этих структурах. Дальнейшее подтверждение этого вывода было получено в гистохимических и биохимических работах. Многочисленными исследованиями было установлено, что волосковые механорецепторы и прилежащие к ним ткани лабиринта позвоночных животных чрезвычайно богаты различными субстратами и ферментами, которые отчетливо реагируют на раздражения, действующие на лабиринт (действие звука, ускорений и т. д.).
Механорецепторные элементы органов чувств представителей различных классов позвоночных характеризовались известной специфичностью в степени активности и в распределении тех или иных веществ. Эта специфика, отражающая особенности химизма сенсорных приборов, являлась следствием их структурного усложнения в ходе эволюционного развития, а также результатом перехода от водной среды обитания к наземной.
1 Вопросы гистохимии и метаболизма структур внутреннего уха подробно рассматриваются в только что появившихся томах руководства по сенсорной физиологии, специально посвященных вестибулярной (Kornhuber, 1974) и слуховой (Keidel, Neff, 1974) системам.
Ферменты и субстраты окислительного обмена. В органе слуха (в том числе и у млекопитающих) в волосковых клетках (прежде всего наружных), в нервных окончаниях, в клетках сосудистой полоски удалось показать высокую активность ряда окислительных ферментов: сукцинатдегидрогеназы, цитохромоксидазы, лактатдегидрогеназы , малатдегидрогеназы, алкоголъдегидрогеназы, глутаматдегидрогеназы, глицерофосфатдегидрогеназы, НАД- и НАДФ- диафораз (Mizukoshi et al., 1957; Винников, Титова, 1958, 1962; Vosteen, 1958; Gerhardt, 1961, 1962а, 1962b; Kawamoto, Kaki- zaki, 1962; Spoendlin, Balogh, 1963a, 1963b; Conti, Borgo, 1964; Koide et al., 1964; Титова, 1968; Lotz, Kuhl, 1968; Lim, 1970, и др.). Активность дыхательных ферментов выявляется прежде всего в многочисленных митохондриях клеточных структур.
Высокий уровень окислительной ферментативной активности был выявлен и в других сенсорных структурах лабиринта различных животных (Nomura, Balogh, 1964; Титова, 1968; Винников и др., 1971). По даным Винникова и др. (1971), у млекопитающих окислительная ферментативная активность приурочена в основном к митохондриям, расположенным, в апикальной части рецепторных клеток, а также обнаруживается в митохондриях вблизи синаптических контактов. Более всего отмечается ферментативная активность в митохондриях нервных волокон и их окончаний, которые могут быть буквально забиты митохондриями. В опорных клетках активность окислительных ферментов менее выражена. Волоски рецепторных клеток и отолитовая мембрана не содержат окислительных ферментов. При умеренных функциональных нагрузках активность окислительных ферментов возрастает, а при значительных — падает.
По мнению некоторых авторов (Винников, Титова, 1961; Винников, 1971), важным энергетическим субстратом метаболизма рецепторов кортиева органа является гликоген, который был обнаружен в большом количестве в наружных волосковых клетках, опорных клетках Гензена, в структурах сосудистой полоски (Belanger, 1953, 1956; Винников, Титова, 1957; Finzi, 1958; Zor- zoli, Boriani, 1958; Takahashi, 1961; Falbe-Hansen, Thomsen, 1963; Vosteen, 1964; Falbe-Hansen, 1967). Там же была обнаружена и фосфорилаза, катализирующая расщепление гликогена. При действии звукового раздражения наблюдается отчетливое изменение количества гликогена, а также его связи с белком. При кратких воздействиях общее количество гликогена нарастает, а при длительных— падает (Винников, Титова, 1957; Zorzoli, Boriani, 1958; Лейбсон и др., 1961). (Следует однако заметить, что во внутренних волосковых клетках гликоген отсутствует — Винников, Титова, 1961).
Фосфатазы. В структурах волосковых рецепторов кортиева органа, в том числе и в их стереоцилиях, проявляют высокую активность кислая и щелочная фосфатазы. Активность фосфатаз меняется под влиянием звукового раздражения (Винников, Титова, 1957, 1958; 1961; Койчев, 1969а).
При изучении вопросов, связанных с обменом веществ, и при поисках источников энергии, которую получает та или иная биологическая структура, первенствующая роль принадлежит, конечно, исследованию макроэргических соединений типа АТФ. АТФаза в органе слуха была выявлена в волосковых механорецепторах: в стереоцилиях на апикальной клеточной поверхности, на границе рецепторных и опорных клеток, в митохондриях и других клеточных структурах (Mizukoshi et al., 1957; Nakai, Hilding, 1967). Кроме того АТФаза была обнаружена в районе сосудистой полоски, которая характеризовалась наибольшей активностью фермента по сравнению со спиральной связкой, рейсснеровой мембраной и другими образованиями кортиева органа (Vosteen, 1961; Nakai, Hilding, 1967; Kuijpers, Bonting, 1969). Именно сосудистая полоска и является той структурой, которая прежде всего ответственна за необычный состав эндолимфы и за поддержание эндо- кохлеарного потенциала (см. главу 7). В осуществлении функции сосудистой полоски, обеспечивающей активный транспорт, АТФаз- ные системы играют огромную роль.
Исследование АТФазной активности в структурах лабиринта представляет, конечно, большой интерес не только в связи с рассмотрением явлений обмена веществ, присущих в той или иной степени различным возбудимым элементам. Эти исследования важны и в связи с изучением первичных процессов, протекающих в механорецепторах. Общеизвестна роль АТФазных систем в хемо- механических превращениях, характерных для сократительных тканей (см. обзоры: Энгельгардт, 1957; Поглазов, 1965; Серавин, 1967; Bendall, 1969, и мн. др.). Естественно, что в литературе неоднократно высказывались идеи о возможности существования и обратных — механо-химических — преобразований, которые могли бы иметь место в механорецепторах (Винников, 1964, 1965; Duncan, 1965, 1967; Шноль, 1966; Ильинский, 1967, и др.). К этим преобразованиям АТФазные системы, по-видимому, могли бы также быть причастны. К сожалению, приходится констатировать, что имеющиеся в литературе немногочисленные данные об АТФазной активности в механорецепторных элементах совершенно не соответствуют очевидной важности этого вопроса.
Мукополисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. В структурах и жидкостях органа слуха было выявлено большое количество мукополисахаридов (Jensen, Vilstrup, 1953; Jensen et al., 1954; Wislocki, Ladman, 1954; Plotz, Perlman, 1955; lurato, 1960; Saito, Daly, 1970; Tachibana et al., 1973), которые по предложению некоторых авторов (Dohlman, 1960; Christiansen, 1961, 1964) рассматривались как участвующие в трансформации механической энергии в электрическую. Однако в дальнейшем эта концепция не получила широкого распространения (см. стр. 335).
В рецепторных клетках лабиринта различных представителей- позвоночных животных было выявлено большое количество белка, оцениваемого как суммарно, так и по отдельным функциональным группам: карбоксильным, сульфгидрильным, дисульфидным, тиоловым (Винников, Титова, 1958, 1961; Винников, Газенко, Титова, Бронштейн, 1963; Титова, 1968; Винников и др., 1971). Хотя можно отметить известные особенности в содержании и распределении этих веществ у различных животных, а также в различных рецепторах (например, у млекопитающих концентрация суммарного белка, карбоксильных и сульфгидрильных групп была выше в кувшинообразных клетках I типа утрикулярной макулы, чем в цилиндрических клетках II типа, и т. д.), тем не менее во всех случаях можно говорить о высоком уровне нуклеинового и белкового обмена в сенсорных структурах органов чувств.
Изменение белкового и нуклеинового обмена в волосковых механорецепторах лабиринта под влиянием раздражения было продемонстрировано рядом исследователей (Яковлев и др., 1961; Винников, Титова, 1961; Гогниашвили, 1967а, 19676; Абрамян, 1968; Титова, 1968; Койчев, 1969а; Винников и др., 1971). В норме этот обмен, по-видимому, как и в других клетках, протекает циклически: с чередующимися максимумами и минимумами. Под влиянием функциональных нагрузок такого рода изменения приобретают четкую направленность. Так, у морских свинок, обезьян, птиц было особенно хорошо видно, как под влиянием гравитационных ускорений имеет место направленный выход РНК ядрышек из ядра в цитоплазму клетки, где отмечаются изменения в белковом синтезе. Под влиянием однократной нагрузки процесс белкового синтеза характеризуется многовершинной повышающейся динамикой с максимумом скорости в районе двух суток после воздействия. Интересно, что повторные воздействия в определенные моменты этого циклического процесса приводили к угнетению синтеза белка, а в другие периоды (когда имеет место восстановление запасов РНК, а белковый синтез только начинается)—напротив, даже к его усилению (Титова, 1968; Винников и др., 1971). Наибольшее торможение белкового синтеза наступало при повторном воздействии на 5-е сутки после первого раздражения.
В работе Ароновой (1968) исследовались механорецепторы органов боковой линии. Было показано, что в рецепторных клетках содержится большое количество нуклеиновых кислот, суммарного белка, карбоксильных .и тиоловых групп белковых молекул. Цитоплазма опорных клеток в меньшей степени насыщена этими белками.
Холинергический медиаторный механизм
В настоящее время идентификация медиаторов, участвующих в передаче возбуждения как в афферентных, так и в эфферентных синапсах волосковых механорецепторов позвоночных животных, еще не завершена. Вместе с тем, в литературе существуют многочисленные данные, прежде всего полученные именно гистохимическими методами, которые дают основание полагать, что таким медиатором мог бы быть в первую очередь ацетилхолин.XVI Наличие ацетилхолина в жидкостях лабиринта различных животных было установлено давно (Martini, 1941; Dacha, Martini, 1942; Gisselsson, 1950). В дальнейшем было показано, что ацетилхолинэстеразная активность обнаруживается в местах синаптических контактов волосковых клеток, что делает вероятным предположение о проникновении ацетилхолина из этой области в окружающие жидкости и ткани. Так, по данным ряда авторов (Churchill et al., 1956; Schuknecht et al., 1959; Винников, Титова, 1961; Wersall et al., 1961), в синапсах кортиева органа выявляется специфическая ацетилхолинэстераза. При звуковых воздействиях ферментативная активность усиливалась: при действии звуков высокой частоты она менялась в основном в области основания улитки, а при действии звуков низкой частоты — преимущественно на вершине улитки (Винников, Титова, 1958; Аничин, 1964, 1968).
У представителей различных классов позвоночных животных активность неспецифической холинэстеразы выявлялась во всех тканях лабиринта, а ацетилхолинэстеразы — лишь в области рецепторных структур, где она была связана с местами синаптических контактов между нервными волокнами и волосковыми клетками, а кроме того с нервными волокнами. Активность ацетилхолинэстеразы была выявлена прежде всего в эфферентных структурах (Dohlman et al., 1958; Schuknecht et al., 1959; Dohlman, 1960; Ireland, Farkashidy, 1961; Wersall et al., 1961; Hilding, Wersall, 1962; Rossi, Gortesina, 1962a, 1962b, 1963; Rossi, 1964; Rossi et al., 1964; Ishii et al., 1967; lurato et al., 1971), хотя по данным некоторых авторов, она обнаруживается и в области афферентных синаптических контактов (Винников, Титова, 1961; Титова, Винников, 1964; Винников и др., 1971). Ацетилхолинэстераза была найдена и в синапсах волосковых механорецепторов органов боковой линии, где ее активность возрастала под влиянием функциональных нагрузок (Титова, Аронова, 1964; Аронова, 1968; Russell, 1971b). Высвобождение ацетилхолина отмечалось и при активации оливокохлеарных пучков (Guth et al., 1972). В пользу ацетилхолина как медиатора в эфферентных синапсах говорят и фармакологические исследования, проведенные на органах боковой линии (Russell, 1971b) и органа слуха (Fex, 1973). Последний автор, однако, не исключает возможности участия глицина или гамма-аминомасляной кислоты в передаче возбуждения от эфферентных волокон.
По данным Винникова с сотрудниками (Винников, Титова, 1961; Аничин, 1968), в кортиевом органе ацетилхолинэстераза располагается не только в афферентных и эфферентных синапсах, но и в цитоплазме и стереоцилиях волосковых клеток и ее активность меняется при звуковых воздействиях. Изменения в активности ацетилхолинэстеразы отмечались при функциональных нагрузках и в других сенсорных образованиях лабиринта. При этом если раздражение было незначительным (например, при ускорении 1.5—3 g), активность ацетилхолинэстеразы в области рецепторных клеток возрастала, а при более сильных — падала (Винников и др., 1971). Однако, следует заметить, что в настоящее время пока нет достаточно веских доказательств, позволяющих признать ацетилхолин медиатором в афферентных синапсах органа слуха (Fex, 1973), равно как и вестибулярной системы (lurato et al., 1971, 1972). В опытах на рецепторах боковой линии было показано (Flock, 1973), что в афферентных и эфферентных синапсах высвобождаются различные медиаторы. Если считать, что таким веществом в эфферентных синапсах является ацетилхолин, то в афферентных синапсах медиатором является другое вещество.
Наличие ацетилхолинэстеразы в рецепторах кортиева органа и изменение ее активности при звуковых воздействиях привели отдельных исследователей к предположению, что ацетилхолин играет ведущую роль в механизмах возбуждения волосковых рецепторов органа слуха (цитохимическая гипотеза — Винников, Титова, 1961; Винников, 1971). Согласно этому представлению, ацетилхолин является промежуточным звеном между механическими воздействиями среды (звуками) и деполяризационными процессами, развивающимися в рецепторах при возбуждении. Как считают указанные авторы, вследствие движения базилярной и тенториальной мембран происходит проникновение ацетилхолина эндолимфы в кортилимфу, в область стереоцилий. Там ацетилхолин реагирует с холинореактивными структурами, локализованными в стереоцилиях. Именно это и является, согласно рассматриваемой гипотезе, тем первичным пусковым звеном, которое ведет к изменению ионной проницаемости мембраны рецептора и возникновению рецепторного потенциала. Следует констатировать, что данное представление, целиком основанное на некоторых гистохимических наблюдениях, по-видимому, в настоящее время вряд ли может быть принято. Так, например, с позиций цитохимической гипотезы крайне сложно объяснить дирекционную чувствительность волосковых механорецепторов, их способность генерировать де- или гиперполяризационные ответы в зависимости от направления раздражения. Далее, если в кортиевом органе Винников и Титова (1961) отмечают активность ацетилхолинэстеразы в стереоцилиях, что, по мнению авторов, свидетельствует о ее важном функциональном назначении, то в стереоцилиях волосковых клеток боковой линии такой активности не обнаружено (Аронова, 1968). Нет ацетилхолинэстеразы и в волосках рецепторов макул (Винников, Титова, 1961).
Значительно более обоснованным и принятым является представление о микродеформациях (Davis, 1957, 1960, 1961, 1965), выдвинутое также для объяснения деятельности механорецепторов органа слуха. Согласно этой концепции, в результате колебаний среды, окружающей механорецепторы, происходит сгибание волосков, расположенных на поверхности клеток. Эти микродеформации и приводят к изменениям проницаемости клеточной мембраны и генерации РП (подробнее см. глава И).
* ж ♦
Таким образом, следует заключить, что механорецепторные структуры органов чувств отличаются богатым разнообразием различных биологически важных макромолекул и ферментов. Однако подметить среди них какие-либо вещества, выявляющиеся в качестве специфических именно для сенсорных элементов и играющих некую специфическую функцию в актах механорецепции, пока не удалось. Единственное, что можно отметить с уверенностью, — это высокий в целом уровень метаболических процессов во вторичночувствующих механорецепторных структурах.