Начало >> Статьи >> Архивы >> Развивающийся мозг

Биологические предпосылки нейрохимической организации нейрона - Развивающийся мозг

Оглавление
Развивающийся мозг
Эволюция мозговых структур
Вписанность эволюции живого в пространственно-временной континуум мира
Эволюция жизни как эволюция систем
Мозг как биологический экран внешнего мира
Отражение константных параметров в эволюции мозга
Системогенез и его предпосылки
Теория функциональных систем П. К. Анохина, Барталанфи
Опережающее развитие нервных структур
Генетические предпосылки опережающего созревания нервных структур
Системное созревание восходящих активирующих влияний ретикулярной формации
Экологические факторы и гетерохронии в созревании восходящих активирующих влияний
Гетерохронное созревание болевых механизмов восходящих активирующих влияний ретикулярной формации
Системный принцип в созревании восходящих активирующих влияний
Химическая эволюция восходящих влияний ретикулярной формации
Гетерохронное созревание восходящих возбуждений сенсомоторной коры
Гетерохрония в созревании восходящих возбуждений сенсомоторной коры
Морфологические исследования кортикальных структур
Онтогенетическая эволюция вторичных компонентов вызванного потенциала
Эволюция вторичного ответа Форбса
Эволюция вторичного отрицательного компонента
Созревание проекционной зоны сенсомоторной коры
Анализ гетерохронного созревания компонентов первичного ответа
Филогенетическая эволюция восходящих систем спинного мозга
Эволюция химической специфичности синаптических организаций коркового нейрона
Биологические предпосылки нейрохимической организации нейрона
Действие ГАМК на поверхностные синаптические системы коры в процессе онтогенеза
Эволюция судорожной активности незрелой коры
Гетерохронный рост зрительных проекций как предпосылка системного созревания коры мозга
Особенности вызванных потенциалов зрительной коры и онтогенез
Онтогенетические исследования вызванных потенциалов зрительной коры
Созревание первого длиннолатентного отрицательного компонента дельта
Происхождение возбуждений, формирующих ВП в онтогенезе
Химическая специфичность компонентов вызванного ответа зрительной коры
Гетерохронное созревание подкорковых структур зрительной системы
Гетерохрония в созревании элементов сетчатки
Эпицентрическое и конвергентное созревание восходящих возбуждений зрительной коры
Филогенетические предпосылки гетерохронии восходящих афферентных систем зрительной коры
Принципы созревания восходящих возбуждений коры мозга
Заключение

Нейрохимической характеристике нейрона мы хотим предпослать представления о той своеобразной роли, которую играет в ее жизни клеточная мембрана.
Исследования живых клеток при помощи электронного микроскопа обнаружили необыкновенную сложность и разнообразие их «микрокосма». По выражению Ф. Шмидта (1961), мы вступили в новый золотой век ультрацитологии, и «чем больше углубляются наши знания относительно специальных биофизических и биохимических функций морфологически различных компонентов клетки (митохондрий, рибосом, аппарата Гольджи и других мембранных структур), тем яснее становится исключительная важность организации клетки как целого. Именно эта высококоординированная во времени и в пространстве организация обусловливает динамические, регуляторные, гомеостатические и адаптивные свойства клетки, составляющие сущность жизни. Биосинтетические возможности клетки каким-то образом регулируются и комбинируются в систему экзоэнергетических реакций метаболизма, в процессе которых получаются иные продукты, необходимые не самой синтезирующей клетке, а клеткам других, удаленных от нее частей организма».
Структурная пластичность и высокий потенциал функциональных возможностей клетки и ее мембраны выявились при изучении поведения клеток in vitro (цейтраферная съемка) {Вейсе П., 1961). Клетки in vitro непрерывно меняют свою форму, активно двигаются, образуя протоплазматические выросты, похожие на псевдоподии. В процессе такого передвижения меняется натяжение клеточной мембраны, происходит перемещение ее внутриклеточных структур. Не должно быть неожиданным, что это фундаментальное свойство клетки — движение— в известной мере может быть сохранено, по крайней мере для дендритических и аксональных ветвлений нейрона в мозге. При изучении такого «свободного поведения» клеток был выявлен важный факт: химическая специфичность отдельных клеток определяется химическими особенностями поверхностной мембраны. Последняя настолько значительна, что перекрывает видовые различия, и поэтому печеночные клетки цыпленка и клетки крысы способны к взаимной агрегации: на поверхности клеточных оболочек можно наблюдать особые выступы, при помощи которых клетки соединяются друг с другом. Внутри агрегата клетки продолжают очень медленно, но непрерывно перемещаться относительно друг друга.
Все эти факты свидетельствуют о том, что клетка, являясь весьма автономной и сложной системой, «живой фабрикой», тем не менее сохраняет тканевую специфичность, присущую типу клеток, которая ограничивает и стандартизует ее внутреннюю изменчивость в интересах целого организма.
Такой высокой поверхностной химической активностью должен обладать мигрирующий нейробласт, который благодаря химическому таксису, обусловленному чувствительностью его оболочки к какому-то химическому веществу, находит свое место в центральной нервной системе. Физические особенности среды, в которой, таким образом, локализуется нейробласт, определяют его дальнейшее развитие. Так, например, нейробласты, попадающие в плексиморфный слой зачатка коры с тангенциально ориентированными волокнами, приобретают форму биполяров, а те, которые мигрируют позднее вдоль вертикально ориентированных отростков спонгиобластов коры (см. рис. 31), вытягиваются вдоль них, приобретая форму пирамидных клеток средних слоев коры с вытянутыми апикальными дендритами. В глубоких слоях коры, где отсутствуют такие правильно ориентированные структуры, клетки принимают мультиполярную форму. Следовательно, фиксация внешней мембраны нейробласта в определенной форме вызывает такое внутреннее перераспределение структур, что это полностью определяет дальнейшую дифференцировку нейробласта в нейрон того или иного типа. Все это составляет своего рода молекулярную экологию клетки. Но и в этом случае «физическая структура и физико-химические условия ограничивают набор ферментативных и других химических реакций, возможных в данном участке (например, вдоль поверхностей раздела волокнистых пластинчатых или корпускулярных систем, тогда как эти реакции сами модифицируют физический субстрат.
Подобное непрерывное взаимодействие между физической структурой и химической активностью обеспечивает прохождение клеточной системой всех стадий развития и последующую стабилизацию ее в дефинитивном состоянии зрелости» (Вейсс П., 1961).
Клетки центральной нервной системы обладают самыми сложными и дифференцированными химическими процессами, определяющими в конечном счете их высокие интегративные способности, проявляющиеся, например, в обработке тысяч различных возбуждений, поступающих через синапсы.
Совершенно исключительна роль поверхностной мембраны нейрона, связывающей конвергирующие на него возбуждения с его внутренними системами. Особенности ее специализации определили в процессе эволюции постепенное развитие первичной рецепторно-эффекторной внешней поверхности клетки простейшего организма в современную нервную клетку (Заварзин А., 1961; Grundfest Н., 1961).
Все факты, полученные в настоящее время об ультраструктуре нейрона, указывают на своеобразие строения его поверхностной мембраны в ее субсинаптических участках (Palay S. L., 1958, 1961; De Robertis Е. D. F., 1968; Cuteaux R„ 1961). Последнее легче понимается с точки зрения эволюционного процесса, являясь историческим результатом постепенного возрастания числа синаптических организаций от разнородных по своему происхождению волоконных систем. Поэтому можно ожидать и в высшей степени дифференцированную гетерогенность внешней мембраны нейрона, которая в первую очередь должна быть отражена в химической гетерогенности отдельных участков.
Это было показано в исследованиях химических свойств синаптической передачи на гигантских нейронах беспозвоночных, мотонейронах и корковых нейронах позвоночных животных (Kuffler S. W., Edwards С., 1958; Grundfest Η., 1958, 1959; Purpura D. P., Bullock T. H., 1960). Современные микроионофоретические исследования полностью подтвердили это положение (Анохин П. К·, 1969—1972; Кринович и др., 1971; Каффлер С., 1970; Стельмах, 1971).
На основании своих исследований Т. Буллок рассматривает мембрану нейрона как совокупность практически неограниченного разнообразия химических процессов на субсинаптических участках (1959). Прямые доказательства этого получены в микроэлектродных исследованиях A. S. Marazzi (1958), который показал, что в одной и той же нервной клетке имеются разные рецепторно-химические пути для различных синаптических передатчиков от различных пресинаптических волокон.
Можно думать, что мембрана коркового пирамидного нейрона очень сложна, поскольку на нее поступают самые разнообразные восходящие возбуждения, каждое со своей химически специфической синаптической системой, генерирующей пост- синаптический потенциал.
По выражению П. К. Анохина (1968), возбуждения от различных подкорковых структур и других областей коры, «по самой своей эволюционной сути являются разнородными как в метаболическом, так и в нейрогуморальном смысле», а дальше; «благодаря такому разнообразию перекрытий от различных возбуждений каждый отдельный нейрон становится ареной взаимодействия разнородных возбуждений — взаимодействия, которое упорядочивается последовательностью и биологической значимостью конвергирующих возбуждений». Можно думать, что химическое разнообразие участков поверхностной мембраны нейрона эволюционно возникло из химических форм контактов нейрона с разнообразными по своему происхождению и химии проводящими системами.
Для синапсов врожденных инвариантных систем тот участок мембраны, к которому подходит контактирующее волокно, уже с самых ранних стадий онтогенетического развития должен специализироваться как специфический рецептор к специфическому химическому воздействию. Мы предполагаем, что в этом случае мембрана нейрона может быть маркирована каким-то образом уже на ранних стадиях дифференцировки нейробластов в нейрон. Электронно-микроскопические исследования на этих стадиях дают возможность высказать предположение, что эта
маркировка может происходить непосредственно генетическим материалом ядра со стороны внутренней поверхности мембраны. На этих стадиях, действительно, часто наблюдаются выход ядерных частиц, вероятнее всего и-РНК, через поры оболочки ядра в цитоплазму и их локализации у внутренней поверхности клеточной мембраны. Этот маркированный РНК-участок сохраняет свое положение в процессе увеличения нейрона и при вытягивании дендритических отростков может переместиться на дендрит. Локализация РНК на этом участке мембраны непрерывно поддерживает синтез белков-рецепторов (см. рис. 44, Б) и этим определяет химическое своеобразие синаптической мембраны, направляющей избирательный рост аксона к этому участку.
Длительность и относительная стабильность постсинаптических потенциалов указывают и на затяжной характер тех нейрохимических процессов, которые сопровождаются этими потенциалами.                                           ‘
Такая причинная связь между химическими процессами в синапсе и сопровождающими их электрическими потенциалами выражается также в том, что количество медиатора, выделяемого пресинаптическим окончанием, прямо пропорционально длительности афферентного возбуждения и в свою очередь определяет параметры постсинаптического потенциала (Икклс, 1966). Само количество выделяемого медиатора зависит от его природы. Так, макромолекулярные передатчики выделяются в небольшом объеме; наоборот, низкомолекулярные соединения выделяются в большем количестве (Grundfest Н., 1958). В этом смысле медиатор можно рассматривать как своего рода химический код, передающий характеристики афферентного возбуждения на постсинаптическую мембрану.
Специфические нейрохимические процессы, возникающие в пост,синаптической мембране под действием медиатора, очевидно, и дают начало там химическим процессам, которые из этого пункта уходят в цитоплазму нейрона, интегрируясь там с другими такими же процессами (Анохин П. К., 1966, 1968).
Развитие химических форм контактов привело к возникновению ряда химических веществ, при помощи которых осуществляются эти контакты. Они оказались весьма сходными даже для животных, принадлежащих к различным типам родословного дерева (Сахаров Д. А., 1974).
По мнению Н. Grundfest (1959), в основе тормозных и возбуждающих эффектов лежит химическая гетерогенность постсинаптических мембран. Например, стрихнин инактивирует тормозные синапсы в центральной нервной системе позвоночных и не оказывает влияния на нервно-мышечный синапс и синапсы червячка мозжечка. В высоких дозах стрихнин блокирует и деполяризующие центральные нервные синапсы (Grundfest Н., 1959).
Ацетилхолин является возбуждающим медиатором для мышечных синапсов, автономных узлов и некоторых гладких мышц и, наоборот, оказывает тормозное действие в эффекторных соединениях пейсмейкера сердца, а также, вероятно, в некоторых волокнах гладких мышц (Qrundfest Н., 1958) и клетках Реншоу. Его тормозная роль показана и для корковых нейронов (Шерстнев В. В., 1972; Ильюченок Р. Ю. и др., 1970).
Эта разница в действии одного и того же вещества особенно четко проявляется при сопоставлении его влияния на различные участки мембраны одной и той же клетки: на мембрану, способную к генерации спайка, и рецептивную мембрану. Так, тубокурарин, ДФП, прокаин, третичный аналог простигмина, флексидил инактивируют постсинаптическую мембрану электрической пластинки угря и, наоборот, резко повышают возбудимость электрогенной мембраны этого же образования (Grundfest Н., 1959). Наоборот, ацетилхолин, карбамилхолин, диметиламиноэтилацетат, простигмин, сукцинил- холин активируют синапсы электрической пластинки и инактивируют ее электрогенную мембрану.
Было показано, что в пределах какого-либо типа синапсов, например холинергических, имеется значительное разнообразие функций, зависящее от особенностей пре- и постсинаптической мембраны. Так, например, в двух синапсах, в одном из которых ацетилхолин быстро разрушается холинэстеразой, в другом медленно диффундирует за пределы синаптической щели, его действие оказывается различным. В последнем случае имеет место медленное медиаторное воздействие, тогда как в первом ацетилхолин действует по принципу «химического укола». Такие синапсы с высокой скоростью разрушения ацетилхолина холинэстеразой обладают высокой лабильностью и отражают более высокую ступень эволюционной организации (Турпаев Т. М., Сахаров Д. А., 1967).
Разнообразие эффектов действия биологически активных веществ ч их различных блокаторов заставляет думать, что на уровне самой постсинаптической мембраны имеют место взаимодействия этих веществ со специфическими рецепторами, очень тонко «отградуированными» даже в отношении стереоконфигурации одного и того же вещества. Например, возбуждающий эффект молекул некоторых веществ па ретикулярные нейроны обусловлен их стереоспецифичностью, а тормозной независим от нее.
Примером тончайшей градуальной чувствительности рецепторов является большая устойчивость, например, тормозных адрено- и серотопиновых рецепторов к повторному введению этих же веществ по сравнению с возбуждающими или блокирующее действие атропина на тормозные и активирующие реакции ацетилхолина. В другом случае атропин оказывает один и тот же блокирующий эффект на тормозное действие двух различных веществ — ацетилхолина и никотина (Fillips, Jork, 1968; Шерстнев В. В., 1972).
Мы думаем, что такой, в высшей степени скользящий, динамический характер химической регуляции деятельности нейрона обусловливает его быстрое и пластическое включение в различные системные деятельности мозга.
Надо заметить, что в естественных условиях само химическое разнообразие этих деятельностей для данного нейрона является весьма стабильным и ограничивает его степени свободы.
В этом смысле особенное значение приобретает гетерохимичность мембраны тех нейронов, на которые конвергируют мультисенсорные и мультибиологические возбуждения (см. рис. 44). Очевидно, совершенно особое значение для такого нейрона и для понимания интегративной функции мозга приобретает положение Дейла о монохимизме медиатора во всех аксонных окончаниях данного нейрона. Блестящей иллюстрацией этого положения является вставочный нейрон аплизии, аксон которого оканчивается на Н- и D-нейронах и, секретируя ацетилхолин, вызывает противоположные эффекты: тормозной на Н-нейроне и возбуждающий на D-нейроне (Tauc L., Gerschenfeld Η. Μ., 1961; Strumwasser F., 1962).
Можно думать, что таким же образом и волокна, происходящие из одной какой-либо подкорковой структуры, «выносят»· свою специфическую химию до кортикального нейрона, на котором они оканчиваются. Вообще конечные нейроны такого волокна могут быть локализованы в разных структурах центральной нервной системы и благодаря его монохимизму все его ветви «доносят» до этих нейронов без искажений информативную посылку исходной структуры. В зависимости от состояния и химической специфики воспринимающих эту посылку постсинаптических мембран она на разных нейронах реализуется различно или оказывается вовсе неэффективной.
Последовательное и конвергентное созревание восходящих возбуждений происходит по эпицентрической закономерности, поэтому различные синаптические организации пространственно перекрываются друг другом. Единственным фактором, способным их дифференцировать, должна быть химическая специфичность этих систем, отражающая медиаторную специфичность каждой системы и специфичность постсинаптической мембраны.
Первичное созревание аксодендритической поверхностной системы синапсов коры новорожденного указывает на важный факт: химическая дифференцировка поверхностной мембраны нейрона должна начинаться с химической дифференцировки его апикального дендрита; здесь синаптические организации различных проводящих систем начинают образовывать «химическую» мозаику нейрона.
Именно отсюда, очевидно с аксодендритических входов, и начинается процесс вовлечения нейрона в системную деятельность. Этот процесс в основном развивается в постнатальный период, хотя к моменту рождения на апикальных дендритах I слоя уже вполне дифференцированы немногочисленные аксодендритические синапсы самой первой афферентной системы коры. Эта ранняя система имеет вполне определенную нейрохимическую характеристику с активной медиацией в поверхностном слое коры. Аксосоматическая система синапсов созревает намного позже — к 6—8-му дню.
Для анализа химической специфичности поверхностных синаптических организаций коры мозга мы использовали аппликацию на поверхность коры некоторых фармакологических и биологически активных веществ. Этим достигалось прямое химическое воздействие на поверхностные синапсы. Критерием оценки действия этих веществ служили соответствующие изменения того или иного компонента вызванного потенциала.


 
« Радионуклидные исследования отдельных органов   Развитие мозга ребенка »