Начало >> Статьи >> Архивы >> Неопределенность в нервной системе

Вероятность в периферических системах - Неопределенность в нервной системе

Оглавление
Неопределенность в нервной системе
История аналогов нервной системы
Центральная нервная система как телефонная станция
Самоуправляющиеся системы
Универсальные вычислительные машины
Каналы с шумом
Вероятность в периферических системах
Вероятность и сенсорные нейроны
Непроизвольные движения глаз; физиологический нистагм
Методы статистического анализа
Анализ двоичных записей
Средняя частота
Кросскорреляционная функция и постстимуляционная гистограмма
Анализ интервалов
Автокорреляционная функция
Синхронная машинная обработка данных
Неустойчивость случайных нервных сетей
Случайные сети в нервной системе
Неустойчивость нервных сетей
Функция случайных сетей в нервной системе
Мозг в целом, рассматриваемый как нервная сеть
Мера предсказуемости
Неопределенная реакция корковых нейронов
Пространственное представительство внешней среды
Временное представительство внешней среды
Универсальный и специфический коды
Оптические иллюзии
Телеологический подход к проблеме кодирования сенсорной информации
Передача информации в мозгу
Устойчивость корковых нейронов
Теория обучающихся машин
Ценность теоретических моделей
Свидетельства длительных изменений синаптической проводимости в центральной нервной системе
Прямое измерение синаптического сопротивления
Дальнейшие шаги
Другие перспективные методики
Более простые нервные системы
Культура нервной ткани
Заключительные замечания

До 1950 г. поведение периферической нервной системы представлялось полностью предсказуемым. Казалось, что при тщательном контроле условий опыта одни и те же стимулы всегда вызывают одинаковые ответы. А когда получалось иначе, биологи виновато прятались за такие выражения, как утомление, повреждение или тахифилаксии; во всяком случае, вариации ответа при внешне постоянных условиях не были случайными по времени появления, и для анализа получаемых результатов редко требовалась статистическая обработка. Веру в похвальную надежность периферических процессов поколебало, наконец, появление микроэлектродной пипетки [155], которая позволила Фэтту и Катцу [93] исследовать детали событий, происходящих в нейромышечном соединении.

Миниатюрные потенциалы концевой пластинки

Разряд α-мотонейрона в спинном мозгу бежит по миелинизированному аксону и захватывает все его веточки; в конце каждой веточки, на концевых пластинках нервных окончаний, высвобождается небольшое количество ацетилхолина, которого в норме с избытком хватает для того, чтобы вызвать потенциал действия в связанных с ними мышечных волокнах. Таким образом, все семейство скелетных мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном, сокращается при каждом его разряде. В нормальном нервно-мышечном препарате, находящемся в состоянии покоя, один потенциал действия в нерве неизменно вызывает один потенциал действия в каждом мышечном волокне. Если на такой нервно-мышечный препарат подействовать каким-либо веществом, которое нарушает нервно-мышечную передачу, препятствуя, скажем, доступу ацетилхолина в область концевой пластинки в мышечном волокне, то тогда скелетные мышечные волокна могут отвечать на возбуждение нерва только местной деполяризацией, ограниченной областью концевой пластинки и неспособной вызвать распространяющийся потенциал действия, ведущий к сокращению. Этот местный ответ на возбуждение нерва был впервые описан Шефером и Хассом [201] в мышце, отравленной кураре, и в дальнейшем привлек к себе большое внимание [75, 80, 82, 88, 93, 142, 217]. В кураризованной мышце величина потенциала концевой пластинки (ПКП), отводимого микроэлектродом внутриклеточно, зависит от количества кураре; если потенциал превысит примерно 20 мв, т. е. около 1/5 мембранного потенциала покоя мышечного волокна, осуществляется проведение [93].
В 1950 г. Фэтт и Катц [92] впервые сообщили о случайно распределенных во времени местных деполяризациях, которые можно было зарегистрировать внутриклеточно микропипеткой в области концевой пластинки в волокнах скелетной мышцы лягушки в то время, когда двигательные нервы препарата не были возбуждены.
Такой биологический шум в препарате, находящемся в состоянии покоя, эти авторы описали как «...случайную последовательность миниатюрных потенциалов концевой пластинки с амплитудой порядка 1/100 ее нормального ответа на импульс в двигательном нерве» [94]. Миниатюрные потенциалы возникали как ряд сигналов, обычно одинаковой амплитуды, в непредсказуемые моменты времени со средней частотой от 1 до 100 в секунду; эта средняя частота возрастала при повышении температуры и небольшом увеличении осмотического давления. Те колебания амплитуды, которые все же можно было наблюдать, производили впечатление квантованных, как если бы время от времени «совпадали» и алгебраически суммировались потенциалы двух или трех нейронов. Кроме того обстоятельства, что эти спонтанные местные деполяризации регистрировались в нераздражаемом нервно-мышечном препарате и были весьма малыми, во всем остальном они имели вид потенциалов концевой пластинки в кураризованной мышце. При добавлении кураре они становились еще меньше; их величина и длительность возрастали при воздействии ингибиторов холинэстераз (которые снижают нормальную скорость расщепления ацетилхолина холинэстеразой, локализованной в области мышечной концевой пластинки). Как показала дальнейшая работа Катца и его сотрудников, миниатюрные потенциалы концевой пластинки обусловлены тем, что выделение ацетилхолина в нервном окончании происходит квантованно — «порциями» по нескольку тысяч молекул — и в случайные моменты времени [16, 91, 136]. Другими словами, выход порции, или кванта, ацетилхолина может в равной степени произойти в любой момент; вероятность появления каждого кванта ни в коей мере не зависит от времени появления предыдущих. Для ряда событий с такими свойствами можно показать [96], что число интервалов определенной величины между событиями описывается формулой

где п — число интервалов длительностью от t до t + δt, а N — общее число событий в записи длительностью Т. Фэтт и Катц [94] исследовали распределение интервалов в полученных ими записях спонтанных миниатюрных потенциалов в концевой пластинке, и оказалось, что оно соответствует приведенной выше формуле.
Нормальный потенциал концевой пластинки, вызываемый раздражением нерва, примерно в 100 раз больше спонтанных миниатюрных потенциалов. Нормальную передачу возбуждения с нерва на мышечные волокна можно блокировать, повысив концентрацию ионов магния или понизив концентрацию ионов кальция в окружающей среде; в отличие от механизма действия кураре блокирование передачи в этих случаях обусловлено снижением способности потенциала действия высвобождать ацетилхолин по достижении нервного окончания. Хотя эти изменения ионного состава столь резко влияют на выделение ацетилхолина двигательным нервом, их влияние на спонтанный выход ацетилхолина невелико; частота отдельных деполяризаций практически не меняется, а их величина снижается приблизительно до 60% нормальной [53]. Уменьшив таким путем почти до нуля местный ответ мышцы на возбуждение ее двигательным нервом, Кастильо и Катц смогли показать, что сохранившийся ответ был по своей природе квантованным. Его величина всегда была в целое число раз больше амплитуды спонтанного миниатюрного потенциала концевой пластинки (фиг. 9).

Фиг. 9. Флуктуации ПКП одиночного нервно-мышечного соединения при воздействии 10 мМ магния (концентрация кальция нормальная—1,8 мМ; простигмина—10-4 (вес/объем)) [53].
Внутриклеточная запись. На каждой записи дано наложение трех ответов. Обращают на себя внимание разбросанные спонтанные миниатюрные потенциалы.

Таким путем было показано, что «...нормальный ПКП, т. е. ответ одиночной концевой пластинки на нервный импульс, состоит из нескольких сот синхронизованных ПКП.. Происходит кратковременное увеличение частоты — или статистической вероятности — события, которое спонтанно возникает очень редко» [136]. Действительно, на m. temiissimus кошки было установлено, что миниатюрные ПКП составляют около 10,5 мв и что нормальный потенциал концевой пластинки возникает в результате синхронного выделения из нервного окончания приблизительно 200—300 квантов ацетилхолина [21], Поэтому следует думать, что ацетилхолин синтезируется в окончании двигательного нерва и хранится там в виде отдельных порций, возможно, в синаптических пузырьках, видимых под электронным микроскопом; но в концевой мембране должна происходить утечка, так как в состоянии покоя постоянно происходит беспорядочный выход квантов ацетилхолина.
Приход потенциала действия к моторному окончанию вызывает одновременный выброс множества квантов этого гуморального медиатора, которых примерно втрое больше, чем требуется для передачи возбуждения с нерва на мышцу, находящуюся в покое. Именно благодаря этому большому фактору надежности при нормальной нервно-мышечной передаче проведение от нерва к мышце обычно представляет собой полностью предсказуемое событие.
Поскольку общепризнано, что в центральной нервной системе передача возбуждения от одной нервной клетки к другой тоже происходит гуморальным путем, следует ожидать, что будут получены данные, указывающие на существование аналогичного синаптического шума при внутриклеточном отведении от центральных нейронов [77]. Ли [153, 154] наблюдал небольшие кратковременные деполяризации около 0,5 мв при отведении от клеток в соматосенсорной коре кошек под легким наркозом. При потирании конечности экспериментальных животных частота этих «спонтанных» случайных потенциалов повышалась. Искусственным раздражением поверхностного лучевого нерва можно было вызвать суммацию мелких потенциалов, которая иногда приводила к спайковому разряду. Ли пришел к заключению, что «.. .маленькие потенциалы представляют собой либо единичные синаптические потенциалы, либо миниатюрные возбудительные постсинаптические потенциалы (миниатюрные ВПСП), сходные с миниатюрными потенциалами концевой пластинки, отводимыми от нервно-мышечных соединений». Его данные, как мне кажется, говорят в пользу первой гипотезы. Если бы это действительно были миниатюрные ВПСП, то следовало бы ожидать, что асинхронное возбуждение чувствительных нервов, вызываемое потиранием конечности, повысило бы амплитуду, а не частоту этих сигналов. Более того, наблюдаемая Ли резкая зависимость их частоты от глубины наркоза скорее соответствует тому, что они являются «единичными синаптическими потенциалами».
Во всяком случае, по ряду причин надо думать, что обнаружить миниатюрные ВПСП в центральной нервной системе было бы чрезвычайно трудно. Величина этих потенциалов, регистрируемых микропипеткой в самом теле клетки, должна зависеть от ее расстояния до этих местных деполяризаций; следовало бы ожидать, что афферентные окончания вызовут на дендритах клетки ВПСП меньшей величины, чем на ее соме [89, 90, 222]. Предположительно «единичный синаптический потенциал» Ли можно определить как нарушение мембранного потенциала, создаваемое одним потенциалом действия в одиночном волокне, у которого некоторые концевые веточки образуют синаптический контакт с данной клеткой. В отличие от ситуации, возникающей в нервно-мышечном соединении, центральные единичные ВПСП могут создать условия для временной и пространственной суммации лишь в том случае, если их величина будет гораздо ниже порога разряда нейрона. Обнаружить квантованную утечку 1/100 того количества медиатора, которое нормально выделяется при афферентной активности (как это было установлено Катцем и Фэттом для нервно-мышечного соединения), было бы очень трудно. Более того, как мы уже указывали, у ненаркотизированного животного или у животного под легким наркозом многие центральные нейроны постоянно находятся в состоянии активности. Поэтому весьма вероятно, что в любой наблюдаемой клетке будут возникать случайно распределенные во времени единичные ВПСП, которые очень трудно отличить от предполагаемых случайных деполяризаций, вызываемых утечкой медиатора.
Мы должны прийти к заключению, что этот вопрос остается без ответа. По аналогии с нервно-мышечным соединением можно ожидать спонтанного освобождения некоторого количества тех гуморальных медиаторов, какие имеются в центральной нервной системе. Такая утечка неизбежно должна усиливать стохастичность поведения центральных нейронов, которая рассматривается более подробно на стр. 99. Однако в настоящее время нет убедительных данных в пользу того, что это действительно так. При современном состоянии техники проверить такую гипотезу было бы очень трудно.



 
« Немецкая психиатрия   Неопухолевые хирургические заболевания пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки »