Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Для последних лет характерно значительное повышение интереса к психологии и смежным с ней наукам. Результатом этого является организация большого числа вузов и факультетов, осуществляющих подготовку профессиональных психологов, в том числе в таких специфических областях, как психотерапия, педагогическая психология, клиническая психология и др. Все это создает предпосылки для разработки учебников и учебных пособий нового поколения, учитывающих современные научные достижения и концепции.
В предлагаемом учебном пособии рассматриваются естественнонаучные (прежде всего анатомические и физиологические) факты, актуальные для психологических дисциплин. Оно представляет собой целостный курс, в котором данные о высших функциях мозга излагаются на базе нейроморфоло- гических, нейроцитологических, биохимических и молекулярно-биологических представлений. Большое внимание уделяется информации о механизмах действия психотропных препаратов, а также о происхождении основных нарушений деятельности нервной системы.
Авторы надеются, что данное пособие поможет студентам получить надежные базовые знания по целому ряду учебных курсов, посвященных анатомии и физиологии нервной системы, физиологии высшей нервной деятельности (поведения), физиологии эндокринной системы.
ВВЕДЕНИЕ
Почему человек всегда пытался узнать, как работают системы, управляющие его организмом? Видимо, потому, что понимание принципов функционирования и взаимодействия нервной и эндокринной систем — самых сложных из всех известных биологических объектов — представляет несомненный интерес. Кроме того, все психические явления выступают производными физических и химических процессов, происходящих в человеческом теле и прежде всего в нервной и эндокринной системах. Раскрыв их суть, можно более осознанно относиться к использованию ресурсов мозга, лечить болезни, корректировать психические функции и т. п.
Подавляющее большинство современных психологов (не говоря уже о биологах и медиках) исходят из того, что центральная нервная система (ЦНС) в той или иной степени является материальным субстратом психической деятельности. К сожалению, сегодня нейронауки еще далеки от видения полной картины не только принципов, но и частных проявлений работы ЦНС. Недаром один из величайших биологов XX столетия Нобелевский лауреат Ф. Крик пишет, что такие функции мозга человека, как восприятие, сознание, воображение, эмоции, «недоступны пониманию на современном уровне нащих знаний. Для того чтобы постичь эти высшие уровни нервной деятельности, очевидно, хорошо было бы как можно больше узнать о более низких уровнях, особенно доступных прямому эксперименту. Необходимо рассмотреть теории, которые касаются переработки информации в больших и сложных системах, будь то информация, поступающая от органов чувств, или инструкции, посылаемые мышцам и железам, или же поток сигналов, заключающийся в обширной нервной и эндокринной активности между этими двумя крайними членами».
Авторы этой книги не ставят целью решение вопроса об отношении психического к физическому. Они лишь исходят из того очевидного факта, что современный психолог, особенно работающий в прикладных сферах, должен владеть базовыми знаниями в таких областях, как анатомия мозга, нейрофизио-
логин, нейрохимия, физиология поведения, нейроэндокринология.
В настоящее время интерес к психологии как профессии чрезвычайно высок. Кроме различных форм подготовки специалистов-психологов, все более развивается система поствузовского обучения, позволяющая осваивать различные области психологии (например, психотерапию) теми, кто уже имеет высшее образование. Студентам читаются курсы анатомии и физиологии нервной системы, физиологии высшей нервной деятельности, физиологии сенсорных систем, иногда — общей биологии и др. Однако специализированных пособий, в которых учитывалась бы специфика преподавания перечисленных дисциплин будущим психологам, явно недостаточно.
В предлагаемом пособии авторы попытались изложить современные представления о принципах устройства и функционирования двух основных интегрирующих и регулирующих систем организма — нервной и эндокринной. Значительное внимание уделено как отдельным молекулярным регуляторам, так и деятельности клеток и клеточных структур, а также системному уровню, обеспечивающему регуляцию внутренних органов, обучение, изменение эмоционального состояния и т. д.
Задача авторов несколько осложнялась тем, что в учебных заведениях психологического профиля не преподают химию и физику. Поэтому сведения, относящиеся к этим разделам знаний, представлены в доступной форме и лишь тогда, когда они необходимы для понимания основ функционирования нервной и эндокринной систем. Химические формулы медиаторов, гормонов и т. п. будут понятны читателям, обладающим соответствующей подготовкой. Те же, для кого восприятие формул затруднительно, вполне могут овладеть материалом, пользуясь лишь текстом учебника. Авторы старались привести как можно больше примеров, позволяющих наглядно представить, в каких областях могут быть использованы специалистом-психологом излагаемые сведения.
Книга состоит из пяти глав.
В первой главе, посвященной строению клетки — функциональной единицы любого живого организма, изложены основы клеточной теории, данные о химическом составе клеток и важнейших протекающих в них процессах, характеристики основных тканей человеческого организма, в том числе нервной.
Во второй главе дано описание анатомического строения различных составляющих нервной системы: головного и спинного мозга, периферических нервов, вегетативной нервной системы; приведена функциональная характеристика описываемых структур (ядер, трактов и др.).
В третьей главе изложены электрофизиологические и химические основы работы нервных клеток, способы передачи информации от нейрона к нейрону и от нейронов к исполнительным органам; перечислены основные группы психотропных препаратов, употребляемых в клинике; указаны механизмы действия ряда наркотиков.
В четвертой главе рассмотрены принципы, особенности и типология высшей нервной деятельности (ВНД), разнообразие рефлекторных поведенческих проявлений, механизмы обучения и памяти, системы условного торможения, сна и бодрствования, системы потребностей, мотиваций и эмоций.
В пятой главе, посвященной современным представлениям о деятельности эндокринной системы, ее взаимосвязях с нервной системой и участии гормонов в обеспечении психической деятельности, особое внимание уделено роли эндокринной системы в развитии ряда видов психопатологии.
Пособие может быть использовано при изучении курсов анатомии и физиологии нервной системы, физиологии ВНД, а также родственных учебных дисциплин (например, общей биологии, зоопсихологии, психофизиологии), которые читаются будущим психологам и студентам некоторых других специальностей (педагоги, биологи, медики и т. п.).
основы КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ
Все живые организмы на Земле, за небольшим исключением, состоят из клеток. Впервые клетки были описаны в 1665 г. Р. Гуком, увидевшим их в коре пробкового дерева. Но только к 1839 г. усилиями многих ученых была создана клеточная теория, имеющая в своей основе следующие положения.
Все живые существа, от одноклеточных до крупнейших растительных и животных организмов, состоят из клеток.
Все клетки сходны по строению, химическому составу, жизненным функциям.
Несмотря на то что в многоклеточных организмах отдельные клетки специализируются на выполнении какой- то определенной функции, они способны и к самостоятельной жизнедеятельности, т. е. могут питаться, расти, размножаться.
Каждая клетка возникает из клетки.
Таким образом, клетка — элементарная единица живого, лежащая в основе строения, развития и размножения всех живых организмов. Так как многоклеточные организмы представляют собой сложные клеточные структуры, образующие целостные системы, то без понимания основ строения и регуляции процессов жизнедеятельности в одной клетке невозможно понять принципов регуляции всего организма.
ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ
Организм человека включает множество химических элементов: обнаружено присутствие 86 элементов из таблицы Д. И. Менделеева. Однако 98% массы нашего организма образовано всего четырьмя элементами: кислородом (около 70%), углеродом (15—18%), водородом (около 10%) и азотом (около 2%). Все остальные элементы подразделяются на макроэлементы (около 2% массы) и микроэлементы (около 0,1% массы). К макроэлементам относят фосфор, калий, натрий, железо, магний, кальций, хлор и серу, а к микроэлементам — цинк, медь, иод, фтор, марганец и другие элементы. Несмотря на очень малые количества, микроэлементы необходимы как каждой клетке, так и всему организму в целом.
В клетках атомы и группы атомов различных элементов способны терять или приобретать электроны. Так как электрон имеет отрицательный заряд, то потеря электрона приводит к тому, что атом или группа атомов становятся положительно заряженными, а приобретение электрона делает атом или группу атомов отрицательно заряженными. Такие электрически заряженные атомы и группы атомов называются ионами. Противоположно заряженные ионы притягивают друг друга. Связь, обусловленная таким притяжением, называется ионной. Ионные соединения состоят из отрицательных и положительных ионов, противоположные заряды которых равны по величине, и поэтому в целом молекула электронейт- ральна. Примером ионного соединения может служить поваренная соль, или хлорид натрия NaCl. Это вещество образуют ионы натрия NaF с зарядом +1 и хлорид-ионы СГ с зарядом -1.
В состав клетки входят неорганические и органические вещества. Среди неорганических преобладает вода, содержание которой колеблется от 90% в организме эмбриона до 65% в организме пожилого человека. Вода — универсальный растворитель, и почти все реакции в нашем организме проходят в водных растворах. Внутреннее пространство клеток и органоидов клеток представляет собой водный раствор различных веществ. Растворимые в воде вещества (соли, кислоты, белки, углеводы, спирты и др.) называют гидрофильными, а нерастворимые (например, жиры) — гидрофобными.
Важнейшими органическими веществами, входящими в состав клеток, являются белки. Содержание белков в различных клетках колеблется от 10 до 20%. Белковые молекулы очень велики и представляют собой длинные цепочки (поли-
меры), собранные из повторяющихся единиц (мономеров). Мономерами белков являются аминокислоты. Длина, а следовательно, и масса белковой молекулы могут сильно варьировать: от двух аминокислот до многих тысяч. Короткие белковые молекулы принято называть пептидами. В состав белков входит около 20 видов аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Последовательность аминокислот в молекуле каждого белка строго определена и называется первичной структурой белка. Эта цепочка аминокислот свертывается в спираль, называемую вторичной структурой белка. У каждого белка эта спираль по-своему располагается в пространстве, скручиваясь в более или менее сложную третичную структуру, или глобулу, определяющую биологическую активность молекулы белка. Молекулы некоторых белков образованы несколькими удерживающимися вместе глобулами. Принято говорить, что такие белки имеют, кроме того, и четвертичную структуру.
Белки выполняют целый ряд важнейших функций, без которых невозможно существование ни отдельно взятой клетки, ни целого организма. Структурно-строительная функция основана на том, что белки — важнейшие составляющие части всех мембран: в большинстве клеток есть цитоскелет, образованный определенными видами белков. В качестве примеров белков, выполняющих структурно-строительную функцию, можно привести коллаген и эластин, которые обеспечивают упругость и прочность кожи и являются основой связок, соединяющих мышцы с суставами и суставы между собой.
Каталитическая функция белков заключается в том, что особые виды белков — ферменты — способны ускорять течение химических реакций, причем иногда во много миллионов раз. Все движения клеток осуществляются с помощью специальных белков (актин, миозин и др.). Таким образом, белки выполняют двигательную функцию. Другая функция белков, транспортная, проявляется в том, что они способны переносить кислород (гемоглобин) и целый ряд других веществ: железо, медь, витамины. Основой иммунитета также являются особые белки — антитела, способные связывать бактерии и другие чужеродные агенты, делая их безопасными для организма. Эта функция белков получила название защитной. Многие гормоны и другие вещества, регулирующие функции клеток и всего организма, являются короткими белками, или пептидами. Таким образом, белки выполняют регуляторные функции. (Подробно о регуляторных белках и пептидах см.
в разделе, посвященном эндокринной системе.) При окислении белков выделяется энергия, которую организм может использовать. Однако белки слишком важны для организма, да и энергетическая ценность белков ниже, чем у жиров, поэтому обычно белки расходуются на энергетические нужды только в крайнем случае, при истощении запасов углеводов и жиров.
Другой класс химических веществ, необходимый для жизни, — углеводы, или сахара. Углеводы подразделяются на моносахариды и полисахариды, построенные из моносахаридов. Среди моносахаридов важнейшими являются глюкоза, фруктоза, рибоза. Из полисахаридов в животных клетках чаще всего встречается гликоген, а в растительных — крахмал и целлюлоза.
Углеводы выполняют две важнейшие функции: энергетическую и структурно-строительную. Так, для клеток нашего мозга глюкоза является практически единственным источником энергии, и уменьшение ее содержания в крови опасно для жизни. В печени человека хранится небольшой запас полимера глюкозы — гликогена, его достаточно, чтобы покрывать потребность в глюкозе в течение приблизительно двух суток.
Суть структурно-строительной функции углеводов заключается в следующем: сложные углеводы, соединенные с белками (гликопротеины) или жирами (гликолипиды), входят в состав клеточных мембран, обеспечивая взаимодействие клеток между собой.
В состав клеток входят также жиры, или липиды. Их молекулы построены из глицерина и жирных кислот. К жироподобным веществам относятся холестерин, стероиды, фосфолипиды и др. Липиды входят в состав всех клеточных мембран, являясь их основой. Липиды гидрофобны и вследствие этого непроницаемы для воды. Таким образом, липидные слои мембраны защищают содержимое клетки от растворения. Это их структурно-строительная функция. Однако липиды — важный источник энергии: при окислении жиров выделяется в два с лишним раза больше энергии, чем при окислении такого же количества белков или углеводов.
Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, построенные из мономеров — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. Существуют два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), отличающиеся по составу азотистых оснований и сахаров.
Азотистых оснований четыре: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют названия соответствующих нуклеотидов: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц) и тимидиловый (Т)(рис. 1.1).
Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов.
Рис. 1.1. Четыре нуклеотида, из которых построены все ДНК живой природыРис. 1.1. Четыре нуклеотида, из которых построены все ДНК живой природыМолекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру,свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью.
Рис. 1.1. Четыре нуклеотида, из которых построены все ДНК живой природы
Рис. 1.1. Четыре нуклеотида, из которых построены все ДНК живой природы
При образовании двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. При этом обнаруживается важная закономерность: против аденина одной цепи всегда располагается тимин другой цепи, против гуанина — цитозин и наоборот. Это объясняется тем, что пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются дополнительными, или комплементарными (от лат. complementum — дополнение), друг другу. Между аденином и тимином всегда возникают две, а между гуанином и цитозином — три водородные связи (рис. 1.2). Следовательно, у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых — числу цитидиловых. Зная последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК, по принципу комплементарности можно установить порядок нуклеотидов другой цепи.
С помощью четырех типов нуклеотидов в ДНК записана вся важная информация об организме, передающаяся по наследству следующим поколениям, другими словами, ДНК выступает носителем наследственной информации.
Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток, но небольшое их количество содержится в митохондриях и пластидах.
Молекула РНК, в отличие от молекулы ДНК, — полимер, состоящий из одной цепочки значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из рибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований. Три азотистых основания — аденин, гуанин и цитозин — такие же, как и у ДНК, а четвертое — урацил. Образование полимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и остатком фосфорной кислоты соседних нуклеотидов.
Выделяют три типа РНК, различающихся по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям.
Рибосомные РНК (р-РНК) входят в состав рибосом и участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит процесс биосинтеза белка.
Транспортные РНК (т-РНК) — самые небольшие по размеру — транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка.
Информационные, или матричные, РНК (и-РНК) синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта информация реализуется.
Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.
Рис. 1.2. Комплементарное соединение нуклеотидов и образование двухцепочечной молекулы ДНК
Молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах клетки.
Важным химическим компонентом каждой клетки является аденозинтрифосфат (АТФ). Это нуклеотид, при распаде которого высвобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности клетки, состоящий из азотистого основания, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 1.3); содержится в цитоплазме, митохондриях, пластидах и ядрах.
Структура АТФ неустойчива. При отделении одного остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в аденозиндифосфат (АДФ), если отделяется еще один остаток фосфорной кислоты (что бывает крайне редко), то АДФ переходит в аденозинмонофосфат (АМФ). При отделении каждого остатка фосфорной кислоты освобождается 40 кДж энергии.
АТФ + Н2О АДФ + Н3РО4 + 40 кДжАДФ + Н2О —> АМФ + Н3РО4 + 40 кДж
Связь между остатками фосфорной кислоты называют макроэргической (она обозначается символом ~), так как при ее разрыве выделяется почти в четыре раза больше энергии, чем при расщеплении других химических связей (рис. 1.4).
Для того чтобы синтезировать АТФ из АДФ, необходимо затратить столько же энергии, сколько выделяется при распаде этого вещества. В клетках АТФ синтезируется в процессе распада органических молекул: углеводов, жиров, реже белков.
Витамины (от лат. vita — жизнь) — сложные биооргани- ческие соединения, необходимые в малых количествах для нормальной жизнедеятельности организмов. В отличие от других органических веществ витамины не используются в качестве источника энергии или строительного материала. Некоторые витамины организмы могут синтезировать сами (например, бактерии способны синтезировать практически все витамины), другие витамины поступают в организм с пищей.
Витамины принято обозначать буквами латинского алфавита. В основу современной классификации витаминов положена их способность растворяться в воде и жирах. Различают жирорастворимые (A, D, Е и К) и водорастворимые (В, С, РР и др.) витамины.
Витамины играют большую роль в обмене веществ и других процессах жизнедеятельности организма. Как недостаток, так и избыток витаминов может привести к серьезным нарушениям многих физиологических функций в организме.
Кроме перечисленных неорганических (вода, минеральные соли) и органических соединений (углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, витамины), в любой клетке всегда есть много других органических веществ. Они являются промежуточными или конечными продуктами биосинтеза и распада.
СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ
Каждая клетка, несмотря на свои малые размеры, устроена очень сложно. Клетки содержат структуры для потребления питательных веществ и энергии, выделения продуктов обмена, размножения. Все эти стороны жизнедеятельности клетки тесно увязаны друг с другом.
Внутреннее полужидкое содержимое клетки получило название цитоплазмы. В цитоплазме большинства клеток находится ядро, координирующее жизнедеятельность клетки, и многочисленные органоиды, выполняющие разнообразные функции.
В клетке как в единой системе все части — цитоплазма, ядро, органоиды — должны удерживаться вместе. Для этого в процессе эволюции развилась клеточная мембрана, которая, окружая каждую клетку, отделяет ее от внешней среды. Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки — цитоплазму и ядро — от повреждений, поддерживает постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещества и выводит из клетки продукты обмена.
Рис. 1.5. Строение клеточной мембраны: 1 — липиды; 2 — молекулы белковРис. 1.5. Строение клеточной мембраны: 1 — липиды; 2 — молекулы белковСтроение мембраны у всех клеток одинаково. Ее толщина составляет приблизительно 8 нм (1 нм = 10"9м), поэтому увидеть мембрану в световой микроскоп невозможно. Данные, полученные при помощи электронного микроскопа, позволили заключить, что основу мембраны составляет двойной слой молекул липидов (рис. 1.5), в котором расположены многочисленные молекулы белков. Одни белки находятся на поверхности липидного слоя, другие пронизывают оба слоя липидов насквозь. Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из нее могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие небольшой диаметр. Однако более крупные частицы через мембранные каналы пройти не могут. Молекулы пищевых
Рис. 1.5. Строение клеточной мембраны: 1 — липиды; 2 — молекулы белков
Рис. 1.5. Строение клеточной мембраны: 1 — липиды; 2 — молекулы белков
веществ — белки, углеводы, липиды — попадают в клетку при помощи фагоцитоза или пиноцитоза.
В том месте, где пищевая частица прикасается к наружной мембране клетки, образуется впячивание, и частица попадает внутрь клетки, окруженная мембраной. Этот процесс называется фагоцитозом (рис. 1.6, а). Внутрь образовавшегося пузырька проникают пищеварительные ферменты, и возникает пищеварительная вакуоль. Путем фагоцитоза питаются простейшие. У многоклеточных организмов некоторые лейкоциты крови (довольно крупные амебовидные клетки), передвигаясь в крови и лимфе, также способны активно захватывать и переваривать чужеродные бактерии. Их называют фагоцитами.
Пиноцитоз отличается от фагоцитоза лишь тем, что впячивание наружной мембраны захватывает не твердые частицы, а капельки жидкости с растворенными в ней веществами (рис. 1.6, б). Это один из основных механизмов проникновения веществ в клетку.
Внешняя поверхность наружной мембраны клетки покрыта слоем различных молекул, связанных с белками мембраны. Совокупность этих молекул называется гликокалик- сом. В состав гликокаликса входят молекулы гликолипидов, гликопротеинов, цепочки полисахаридов. Многие молекулы гликокаликса являются частью специфических молекулярных рецепторов, при помощи которых клетка способна реагировать на различные внешние сигналы. Свободный конец рецептора, обращенный в межклеточную среду, имеет строго определенную форму. Поэтому взаимодействовать с рецептором могут только те молекулы, которые подходят к нему, как
ключ к замку. Именно благодаря существованию специфических рецепторов на поверхности клетки могут закрепляться молекулы так называемых информонов: медиаторов, модуляторов, гормонов, ферментов. К внутренней поверхности клеточной мембраны примыкают белки цитоплазмы. Они передают информацию внутрь клетки и запускают сложные каскады биохимических реакций, изменяющих работу всей клетки.
При контакте клеток между собой их клеточные мембраны взаимодействуют, образуя межклеточные соединения различных видов. Благодаря таким соединениям соседние однотипные клетки могут быстро обмениваться электрическими и химическими сигналами.
Клеточное ядро — это важнейшая часть клетки. Оно есть почти во всех клетках многоклеточных организмов. Исключение составляют красные кровяные тельца человека — эритроциты. Не имеют ядра и древнейшие на Земле одноклеточные существа — бактерии, поэтому их называют прокариотами (от лат. pro — перед, раньше и гр. karyon — ядро). Клетки всех остальных организмов — грибов, растений, животных — содержат хорошо оформленное ядро, поэтому их называют эукариотами ( от гр. ей — хорошо, полностью).
Почему ядро так важно для жизнедеятельности клетки? Клеточное ядро содержит ДНК — вещество наследственности, в котором зашифрованы все свойства клетки. Поэтому ядро необходимо для осуществления двух важнейших функций: деления, при котором образуются новые клетки, во всем подобные материнской, и регулирования всех процессов белкового синтеза, обмена веществ и энергии, протекающих в клетке.
Ядро чаще всего имеет шаровидную или овальную форму. Обычно в клетках находится одно ядро, хотя есть и исключения. Например, два ядра у инфузории-туфельки, множество ядер — в волокнах поперечно-полосатых мышц.
От цитоплазмы ядро отделено оболочкой, состоящей из двух мембран (рис. 1.7). Внутренняя мембрана гладкая, а наружная имеет многочисленные выступы. Общая толщина клеточной оболочки — около 30 нм. В оболочке ядра имеются многочисленные поры, для того чтобы различные вещества могли попадать из цитоплазмы в ядро, и наоборот.
Внутреннее содержимое ядра получило название кариоплазмы, или ядерного сока. В ядерном соке расположены хроматин и ядрышки.
Хроматин представляет собой нити ДНК. Если клетка начинает делиться, то нити хроматина плотно скручиваются в спираль. Такие плотные образования называются хромосомами. Они хорошо видны в микроскоп. Если же посмотреть е микроскоп на клетку между делениями, то окажется, что хромосомы раскручены до тончайших нитей ДНК. Дело в том, что гены — участки ДНК, в которых зашифрована структура какого-либо белка, — могут функционировать только в деспи- рализованном виде. Таким образом, в зависимости от того, в каком состоянии нахо
дится клетка, хроматин будет иметь вид или хромосом, или тончайших деспирализованных нитей.
Набор хромосом, содержащийся в клетках того или иного вида организмов, получил название кариотипа. Перед делением клетки хромосомы спирализуются и становятся хорошо различимыми в световой микроскоп. При рассмотрении хромосом становится очевидным, что у разных видов живых организмов число хромосом различное. Если число хромосом в клетках двух видов животных или растений одинаково, то различными будут их размеры, т. е. кариотип всегда неповторим.
Клетки, составляющие органы и ткани любого многоклеточного организма, получили название соматических. Ядра соматических клеток содержат, как правило, двойной, или диплоидный, набор хромосом — по две хромосомы каждого вида (рис. 1.8). Исходно половина хромосом досталась каждой клетке от материнской яйцеклетки, и точно такие же хромосомы — от сперматозоида отца. Парные, т. е. абсолютно одинаковые, хромосомы (одна — от матери, другая — от отца) получили название гомологичных хромосом. Исключение составляют половые хромосомы: X — доставшаяся от матери и одна из двух — X или Y — доставшаяся от отца. Количество хромосом в ядре клеток какого-либо организма не определяет
ХкИ ЛК 1гя
1234567
II ИК 1Г>1 ник
89101112131415
Рис. 1.8. Нормальный хромосомный набор мужчины: 1 —22 — пары хромосом; XY — половые хромосомы
уровень его сложности. Так, диплоидный набор в клетках аскариды — 2 хромосомы; мушки-дрозофилы — 8; зеленой жабы — 26; пресноводной гидры — 32; человека — 46; домашней собаки — 78; речного рака — 118, а миноги — 174.
Набор различных по размерам и форме хромосом клеток данного вида, где каждая хромосома представлена в единственном числе, называется гаплоидным, в отличие от диплоидного набора, когда каждой хромосомы — по две. Гаплоидный набор содержится в ядрах половых клеток (гамет). Если у человека диплоидный набор — 46 хромосом, то гаплоидный соответственно — 23.
В интерфазе клеточного деления каждая хромосома удваивается и состоит из двух хроматид. При этом у человека в соматических клетках будет 92 хроматиды, попарно соединенных в 46 хромосом.
Ядрышко представляет собой плотное округлое тело, взвешенное в ядерном соке. Ядрышки связаны с определенными участками ДНК ядра. Функция ядрышек — синтез РНК и белков, из которых формируются особые органоиды — рибосомы. Обычно в ядре клетки бывает от одного до семи ядрышек. Они хорошо видны между делениями клетки, а во время деления — разрушаются.
Вся цитоплазма пронизана многочисленными каналами, стенки которых образованы мембраной, сходной с той, что со-
ставляет наружную оболочку клетки (рис. 1.9). Эти каналы могут ветвиться, соединяться друг с другом, и в результате возникает единая транспортная система клетки, получившая название эндоплазматической сети (ЭПС). Каналов ЭПС так много, что они могут занимать до 50% внутреннего объема клетки. Просвет каналов ЭПС бывает различным, но средняя его величина — 50 нм. При большом увеличении под микроскопом видно, что часть мембран сети покрыта рибосомами. Эту часть ЭПС называют шероховатой {гранулярной). Основная функция шероховатой ЭПС — синтез белков в рибосомах. Особенно развит этот вид каналов в клетках желез, где происходит синтез гормональных белков. Другая часть ЭПС не покрыта рибосомами и получила название гладкой. Гладкая ЭПС, по-видимому, выполняет в основном транспортную функцию. Этот вид каналов часто встречается в клетках селезенки и лимфатических узлов человека. Таким образом, ЭПС, с одной стороны, является транспортной системой клетки, а с другой стороны, в ней происходит синтез ряда веществ, необходимых иногда только самой клетке, а в других случаях — и многим клеткам многоклеточного организма.
Рибосомы — это небольшие шарообразные органоиды, диаметром 10—30 нм. Образованы они рибонуклеиновыми кислотами и белками. Каждая рибосома состоит из нескольких частей. Рибосомы формируются в ядрышках ядра, затем выходят в цитоплазму, где и начинают выполнять свою функцию — синтез белков. В цитоплазме рибосомы чаще все-
Рис. 1.9. Электронная микрофотография участка гранулярной эндоплазматической сети
22Рис. 1.10. Строение комплекса Гольджи: 1 — цистерны; 2 — мембранные пузырькиРис. 1.10. Строение комплекса Гольджи: 1 — цистерны; 2 — мембранные пузырькиРис. 1.11. Схема переваривания клеткой пищевой частицы при помощи лизосомыРис. 1.11. Схема переваривания клеткой пищевой частицы при помощи лизосомы
2
2
Рис. 1.10. Строение комплекса Гольджи: 1 — цистерны; 2 — мембранные пузырьки
Рис. 1.10. Строение комплекса Гольджи: 1 — цистерны; 2 — мембранные пузырьки
Рис. 1.11. Схема переваривания клеткой пищевой частицы при помощи лизосомы
Рис. 1.11. Схема переваривания клеткой пищевой частицы при помощи лизосомы
го расположены на шероховатой ЭПС. Реже они свободно взвешены в цитоплазме клетки.
Образующиеся в клетке белки, жиры и углеводы далеко не
всегда используются сразу же, поэтому значительная часть синтезируемых клеткой веществ по каналам ЭПС поступает в особые полости, отграниченные от цитоплазмы мембраной. Эти полости, уложенные своеобразными стопками, «цистернами», получили название комплекса Гольджи (рис. 1.10). Здесь вещества, необходимые самой клетке, например пищеварительные ферменты, упаковываются в мембранные пузырьки, отпочковываются и разносятся по цитоплазме. В комплексе Гольджи также накапливаются вещества, которые клетка синтезирует для нужд всего организма и которые выводятся из клетки наружу. Чаще всего цистерны комплекса Гольджи расположены вблизи от ядра клетки.
Когда в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза попадают различные питательные вещества, их необходимо переваривать. При этом белки должны разрушиться до отдельных аминокислот, полисахариды — до молекул глюкозы или фруктозы, липиды — до глицерина и жирных кислот. Чтобы внутриклеточное переваривание стало возможным, фагоцитарный или пиноцитарный пузырек должен слиться с лизосомой (рис. 1.11). Лизосома — ма-
ленький пузырек, диаметром всего 0,5—1,0 мкм, содержащий большой набор ферментов, способных разрушать пищевые вещества. В одной лизосоме могут находиться 30—50 различных ферментов. Лизосомы окружены мембраной, способной выдержать воздействие этих ферментов. Формируются лизосомы в комплексе Гольджи. Именно в этой структуре накапливаются синтезированные пищеварительные ферменты, а затем от цистерн комплекса Гольджи отходят в цитоплазму лизосомы, которые иногда разрушают и саму клетку, в которой образовались.
В цитоплазме расположены также митохондрии — энергетические органоиды клеток (рис. 1.12). Форма митохондрий различна: они могут быть овальными, округлыми, палочковидными. Диаметр их около 1 мкм, а длина — до 7—10 мкм. Митохондрии покрыты двумя мембранами: внешняя мембрана гладкая, а внутренняя имеет многочисленные складки и выступы — кристы. В мембрану крист встроены ферменты, синтезирующие за счет энергии питательных веществ, поглощенных клеткой, молекулы АТФ — универсального источника энергии для всех процессов, происходящих в клетке.
Количество митохондрий в клетках различных живых существ и тканей неодинаково. Например, в сперматозоидах может быть всего одна митохондрия. Зато в клетках тканей, где велики энергетические затраты, митохондрий бывает до нескольких тысяч. Количество митохондрий в клетке зависит и от ее возраста: в молодых клетках митохондрий гораздо больше, чем в стареющих. Митохондрии содержат собственную
Рис. 1.12. Строение митохондрии: 1 — внутренняя мембрана; 2 — внешняя мембрана; 3 — матрикс; 4 — кристы
ДНК и могут самостоятельно размножаться. Например, перед делением клетки число митохондрий в ней возрастает таким образом, чтобы их хватило на две клетки.
Митохондрии содержатся во всех эукариотических клетках, а в прокариотических клетках их нет. Этот факт, а также наличие в митохондриях ДНК позволило ученым выдвинуть гипотезу о том, что предки митохондрий когда-то были сво- бодноживущими существами, напоминающими бактерии. Со временем они поселились в клетках других организмов, возможно, паразитируя в них. А затем за многие миллионы лет превратились в важнейшие органоиды, без которых ни одна эукариотическая клетка не может существовать.
Клеточный центр расположен в цитоплазме всех клеток вблизи от ядра. Он необходим для формирования внутреннего скелета клетки — цитоскелета. Из области клеточного центра расходятся многочисленные микротрубочки, поддерживающие форму клетки и играющие роль своеобразных рельсов для движения органоидов по цитоплазме. У животных и низших растений клеточный центр образован двумя центриолями — цилиндрами длиной около 0,3 мкм и диаметром 0,1 мкм, состоящими из тончайших микротрубочек. Микротрубочки расположены по окружности центриолей по три (триплетами), а еще две микротрубочки лежат по оси каждой из двух центриолей. Центриоли находятся в цитоплазме под прямым углом друг к другу. Очень велика роль клеточного центра при делении клеток, когда центриоли расходятся к полюсам делящейся клетки и образуют веретено деления. У высших растений клеточный центр устроен по-другому и центриолей не имеет.
Многие клетки способны к движению, например: инфузория-туфелька, эвглена зеленая, амебы. Некоторые из этих организмов двигаются при помощи особых органоидов движения — ресничек и жгутиков.
Жгутики имеют относительно большую длину, например, у сперматозоидов млекопитающих она достигает 100 мкм. Реснички гораздо короче: около 10—15 мкм. Однако внутреннее строение ресничек и жгутиков одинаково: они образованы такими же микротрубочками, как центриоли клеточного центра. Движение жгутиков и ресничек вызвано скольжением микротрубочек относительно друг друга, в результате чего эти органоиды изгибаются. В основании каждой реснички или жгутика лежит базальное тельце, которое укрепляет их в
цитоплазме клетки. На работу жгутиков и ресничек расходуется энергия АТФ.
Органоиды движения часто встречаются и у клеток многоклеточных организмов. Например, эпителий бронхов человека покрыт множеством (около 109 на 1 см2) ресничек. Все реснички каждой эпителиальной клетки двигаются строго согласованно, образуя своеобразные волны, хорошо заметные под микроскопом. Такие «мерцательные» движения ресничек помогают очистке бронхов от инородных частиц, пыли. Жгутики есть и у таких специализированных клеток, как сперматозоиды.
Помимо обязательных для клетки органоидов, в ней есть образования то появляющиеся, то исчезающие в зависимости от ее состояния. Эти образования получили название клеточных включений. Чаще всего клеточные включения находятся в цитоплазме и представляют собой питательные вещества или гранулы веществ, синтезируемых этой клеткой. Это могут быть мелкие капли жира, гранулы крахмала или гликогена, реже — гранулы белка, кристаллы солей.
СИНТЕЗ БЕЛКОВ В КЛЕТКЕ
Одним из важнейших процессов, протекающих в клетке, является синтез белков. Каждая клетка содержит тысячи белков, в том числе и присущих только данному виду клеток. Так как в процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются, клетка должна непрерывно синтезировать белки для восстановления своих мембран, органоидов и т. п. Кроме того, многие клетки изготовляют белки для нужд всего организма, например клетки желез внутренней секреции, выделяющие в кровь белковые гормоны. В таких клетках синтез белка идет особенно интенсивно.
Синтез белка требует больших затрат энергии. Источником этой энергии, как и для всех клеточных процессов, является АТФ.
Многообразие функций белков определяется их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в их молекуле. В свою очередь наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном. В одной хромосоме находится информация о структуре многих сотен белков.
Каждой аминокислоте белка в ДНК соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов — триплет. К настоящему времени составлена карта генетического кода, т. е. известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков (табл. 1.1).
КАРТА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА
Таблица 1.1
Аминокислота
Кодирующие триплеты (кодоны)
Аланин
Аргинин
Аспарагин
Аспарагиновая кислота
Валин
Гистидин
Глицин
Глутамин
Глутаминовая кислота
Изолейцин
Лейцин
Лизин Метионин Пролин Серин Тирозин Треонин Триптофан Фенилаланин Цистеин
Знаки препинания
ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ
ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ АГА АГГ
ААУ ААЦ
ГАУ ГАЦ
ГУУ ГУЦ ГУ А ГУГ
ЦАУ ЦАЦ
ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ
ЦАА ЦАГ ГААГАГ АУУ АУЦ АУ А
ЦУУ ЦУЦ ЦУ А ЦУГ УУА УУГ АААААГ
АУГ
ЦЦУЦЦЦ ЦЦАЦЦГ
У ЦУ У ЦЦ У ЦА У ЦГ АГУ АГЦ
УАУ УАЦ
АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ
УГГ
УУУ УУЦ
УГУ УГЦ УАА У АГ УГА
В состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число сочетаний из 4 по 3 составляет: 43 = 64, т. е. можно закодировать
64 различные аминокислоты, тогда как кодируется только 20 аминокислот. Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько различных триплетов — кодонов. Предполагается, что такое свойство генетического кода повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона: ЦГА, ЦГГ, ЦТГ, ЦГЦ, и получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде не может отразиться на структуре белка — все равно это будет кодон аланина.
Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало и конец того или иного гена.
Очень важное свойство генетического кода — специфичность, иными словами, один триплет всегда обозначает только одну-единственную аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов, от бактерий до человека.
Носителем всей генетической информации является ДНК, расположенная в ядре клетки. Сам синтез белка происходит в цитоплазме клетки, на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (и-РНК). Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок ДНК «разматывается», деспирализуется, а затем по принципу комплементарности на одной из цепочек ДНК с помощью ферментов синтезируются молекулы РНК (рис. 1.13). Это происходит следующим образом: против, например, гуанина молекулы ДНК становится цитозин молекулы РНК, против адени-
Рис. 1.13. Схема образования информационной РНК по матрице ДНК (транскрипция)Рис. 1.13. Схема образования информационной РНК по матрице ДНК (транскрипция)Синтезированная цепочка и-РНКСинтезированная цепочка и-РНКРНК-полимеразаРНК-полимеразаНаправление движения ферментаНаправление движения фермента
Рис. 1.13. Схема образования информационной РНК по матрице ДНК (транскрипция)
Рис. 1.13. Схема образования информационной РНК по матрице ДНК (транскрипция)
Синтезированная цепочка и-РНК
Синтезированная цепочка и-РНК
РНК-полимераза
РНК-полимераза
Направление движения фермента
Направление движения фермента
vvtigtigРис. 1.14. Схема строения одной из молекул транспортной РНК: I, II, III, IV — участки комплементарного соединения; V — антикодон; VI — участок соединения с аминокислотойРис. 1.14. Схема строения одной из молекул транспортной РНК: I, II, III, IV — участки комплементарного соединения; V — антикодон; VI — участок соединения с аминокислотойна молекулы ДНК — урацил РНК, против тимина ДНК — аденин РНК и против цитозина ДНК — гуанин РНК. Так же формируется цепочка и-РНК, представляющая собой точную копию второй цепи ДНК (только тимин заменен на урацил). Таким образом, информация о последовательности нуклеотидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК. Этот процесс получил название транскрипции. У прокариот синтезированные молекулы и-РНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами, и начинается синтез белка. У эукариот и-РНК взаимодействует в ядре со специальными белками и переносится через ядерную оболочку в цитоплазму.
v
v
tig
tig
Рис. 1.14. Схема строения одной из молекул транспортной РНК: I, II, III, IV — участки комплементарного соединения; V — антикодон; VI — участок соединения с аминокислотой
Рис. 1.14. Схема строения одной из молекул транспортной РНК: I, II, III, IV — участки комплементарного соединения; V — антикодон; VI — участок соединения с аминокислотой
В цитоплазме обязательно должен быть набор аминокислот, необходимых для синтеза белка. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления пищевых белков. Кроме того, та или иная аминокислота может попасть к месту непосредственного синтеза белка, т. е. в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной РНК (т-РНК).
Для переноса каждого вида аминокислот в рибосомы нужен отдельный вид т-РНК. Так как в состав белков входит около 20 аминокислот, существует столько же видов т-РНК. Строение всех т-РНК сходно (рис. 1.14). Их молекулы образуют своеобразные структуры, напоминающие по форме лист клевера. Виды т-РНК обязательно различаются по триплету нуклеотидов, расположенному на «верхушке». Этот триплет, получивший название антикодон, по генетическому коду соответствует той аминокислоте, которую предстоит переносить этой т-РНК. К «черешку листа» специальный фермент прикрепляет обязательно ту аминокислоту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону.
В цитоплазме происходит последний этап синтеза белка — трансляция. На тот конец и-РНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома (рис. 1.15). Рибосома перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно 0,2 с. За это мгновение одна т-РНК из многих способна «опознать» своим антикодоном триплет, на котором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокислота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пептидной связью к растущей белковой цепочке. В этот момент рибосома сдвигается по и-РНК на следующий триплет, кодирующий очередную аминокислоту синтезируемого белка, а очередная т-РНК «подносит» необходимую аминокислоту, наращивающую цепочку белка. Эта операция повторяется столько раз, сколько аминокислот должен содержать «строящийся» белок. Когда в рибосоме оказывается один из триплетов, являющийся «стоп-сигналом» между генами, то ни одна и-РНК к такому триплету присоединиться не может, так как антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается. Все описываемые реакции происходят за очень короткие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез довольно крупной молекулы белка уходит всего около двух минут.
Клетке необходима не одна, а много молекул каждого белка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на и-РНК, продвинется вперед, за ней на ту же и-РНК нанизывается вторая рибосома, синтезирующая тот же белок. Затем на и-РНК последовательно нанизываются третья, четвертая рибосомы и т. д. Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной и-РНК, называются полисомами. Когда синтез белка окончен, рибосома может найти другую и-РНК и начать синтезировать тот белок, структура которого закодирована в новой и-РНК.
Таким образом, трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка.
Подсчитано, что все белки организма млекопитающего могут быть закодированы всего 2% ДНК, содержащимися в его клетках. Для чего же нужны остальные 98% ДНК? Оказывается, каждый ген устроен гораздо сложнее, чем считали раньше, и содержит не только тот участок, в котором закодирована структура какого-либо белка, но и специальные участки, способные «включать» или «выключать» работу каждого гена. Вот почему все клетки, например, человеческого организма, имеющие одинаковый набор хромосом, способны синтезировать различные белки: в одних клетках синтез белков идет с помощью одних генов, а в других — задействованы совсем иные гены. Итак, в каждой клетке реализуется только часть генетической информации, содержащейся в ее генах.
Синтез белка требует участия большого числа ферментов. И для каждой отдельной реакции белкового синтеза требуются специализированные ферменты.
ТКАНИ: СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ
Ткань — система клеток и неклеточных образований, которые имеют общее происхождение, строение и выполняют в организме сходные функции. Выделяют четыре основные группы тканей: эпителиальные, соединительные, мышечные и нервные.
Эпителиальные ткани состоят из тесно прилегающих друг к другу клеток. Межклеточного вещества мало. Эпителиальные ткани (эпителий) образуют покровы тела, слизистые оболочки всех внутренних органов и полостей, а также большинство желез. Эпителий располагается на соединительной
ткани, обладает высокой способностью к регенерации. По происхождению эпителий может быть производным эктодермы или энтодермы. Эпителиальные ткани выполняют несколько функций:
защитную — многослойный эпителий кожи и его производные: ногти и волосы, роговица глаза, ресничный эпителий, выстилающий воздухоносные пути и очищающий воздух;
железистую — эпителием образована поджелудочная железа, печень, слюнные, слезные и потовые железы;
обменную — всасывание продуктов переваривания пищи в кишечнике, поглощение кислорода и выделение углекислого газа в легких.
Соединительные ткани состоят из клеток и большого количества межклеточного вещества. Межклеточное вещество представлено основным веществом и волокнами коллагена или эластина. Соединительные ткани хорошо регенерируют, все они развиваются из мезодермы. К соединительным тканям относят: кость, хрящ, кровь, лимфу, дентин зубов, жировую ткань. Соединительная ткань выполняет следующие функции:
механическую — кости, хрящ, образование связок и сухожилий; .
соединительную — кровь и лимфа связывают воедино все органы и ткани организма;
защитную — выработка антител и фагоцитоз клетками крови; участие в заживлении ран и регенерации органов;
кроветворную — лимфатические узлы, селезенка, красный костный мозг;
трофическую или обменную — например, кровь и лимфа участвуют в обмене веществ и питании организма.
Клетки мышечных тканей обладают свойствами возбудимости и сократимости. В состав мышечных клеток входят особые белки, способные, взаимодействуя, изменять длину этих клеток. Мышечные ткани участвуют в образовании опорно-двигательного аппарата, сердца, стенок внутренних органов и большинства кровеносных и лимфатических сосудов. По происхождению мышечные ткани являются производными мезодермы. Различают несколько видов мышечных тканей: поперечно-полосатая, гладкая и сердечная. Основные функции мышечной ткани:
двигательная— движение тела и его частей, сокращение стенок желудка, кишечника, артериальных сосудов, сердца;
защитная — защита органов, находящихся в грудной клетке, и особенно в брюшной полости, от внешних механических воздействий.
Нервная ткань состоит из нервных клеток — нейронов и вспомогательных нейроглиальных клеток, или клеток-спутниц.
Нейрон — элементарная структурно-функциональная единица нервной ткани. Основные функции нейрона: генерация, проведение и передача нервного импульса, который является носителем информации в нервной системе. Нейрон состоит из тела и отростков, причем эти отростки дифференцированы построению и функции (рис. 1.16). Длина отростков у различных нейронов колеблется от нескольких микрометров до 1—1,5 м. Длинный отросток (нервное волокно) у большинства нейронов имеет миелиновую оболочку, состоящую из особого жироподобного вещества — миелина. Она образуется одним из типов нейроглиальных клеток — олигодендроцитами.
По наличию или отсутствию миелиновой оболочки все волокна делятся соответственно на мякотные (миелинизирован-
Рис. 1.16. Схема внешнего и внутреннего строения нейрона: 1 — дендриты и их отростки; 2 — комплекс Гольджи; 3 — микротрубочки; 4 — аксон; 5 — коллатерали аксона; 6 — ядро; 7 — гранулярная эндоплаз- менная сеть; 8 — митохондрии
ные) и безмякотные (немиелинизированные). Последние погружены в тело специальной нейроглиальной клетки нейро- леммоцита (рис. 1.17).
Миелиновая оболочка имеет белый цвет, что позволило разделить вещество нервной системы на серое и белое. Тела нейронов и их короткие отростки образуют серое вещество мозга, а волокна — белое вещество. Миелиновая оболочка способствует изоляции нервного волокна. Нервный импульс проводится по такому волокну быстрее, чем по лишенному миелина. Миелин покрывает не все волокно: примерно на расстоянии в 1 мм в нем имеются промежутки — перехваты Ранвье, участвующие в быстром проведении нервного импульса.
Функциональное различие отростков нейронов связано с проведением нервного импульса. Отросток, по которому импульс идет от тела нейрона, всегда один и называется аксоном.. Аксон практически не меняет диаметр на всем своем протяжении. У большинства нервных клеток это длинный отросток. Исключением являются нейроны чувствительных спинномозговых и черепных ганглиев, у которых аксон короче дендрита. Аксон на конце может ветвиться. В некоторых местах (у миелинизированных аксонов — в перехватах Ранвье) от аксонов
1 мм
Рис. 1.17. Оболочки нервных волокон: а — миелиновая; б — ее образование (процесс наслоения показан стрелкой); в — оболочка безмякотного волокна; 1 — аксон; 2 — ядро глиальной клетки; 3 — слои оболочки; 4 — перехват Ранвье; 5 — волокно погружено в тело нейролеммоцита
могут перпендикулярно отходить тонкие ответвления — коллатерали. Отросток нейрона, по которому импульс идет к телу клетки, — дендрит. Нейрон может иметь один или несколько дендритов. Дендриты отходят от тела клетки постепенно и ветвятся под острым углом.
Скопления нервных волокон в ЦНС называются трактами, или путями. Они осуществляют проводящую функцию в различных отделах головного и спинного мозга и образуют там белое вещество. В периферической нервной системе отдельные нервные волокна собираются в пучки, окруженные соединительной тканью, в которой проходят также кровеносные и лимфатические сосуды. Такие пучки образуют нервы — скопления длинных отростков нейронов, покрытых общей оболочкой.
Если информация по нерву идет от периферических чувствительных образований — рецепторов — в головной или спинной мозг, то такие нервы называются чувствительными, центростремительными или афферентными. Чувствительные нервы — нервы, состоящие из дендритов чувствительных нейронов, передающие возбуждение от органов чувств к ЦНС. Если информация по нерву идет из ЦНС к исполнительным органам (мышцам или железам), нерв называется центробежным, двигательным или эфферентным. Двигательные нервы — нервы, образованные аксонами двигательных нейронов, проводящие нервные импульсы от центра к рабочим органам (мышцам или железам). В смешанных нервах проходят как чувствительные, так и двигательные волокна.
В том случае, когда нервные волокна подходят к какому-либо органу, обеспечивая его связь с ЦНС, принято говорить об иннервации данного органа волокном или нервом.
Тела нейронов с короткими отростками по-разному расположены относительно друг друга. Иногда они образуют достаточно плотные скопления, которые называются нервными ганглиями, или узлами (если они находятся за пределами ЦНС, т. е. в периферической нервной системе), и ядрами (если они находятся в ЦНС). Нейроны могут образовывать кору — в этом случае они расположены слоями, причем в каждом слое находятся нейроны, сходные по форме и выполняющие определенную функцию (кора мозжечка, кора больших полушарий). Кроме того, в некоторых участках нервной системы (ретикулярная формация) нейроны расположены диффузно,
не образуя плотных скоплений и представляя собой сетчатую структуру, пронизанную волокнами белого вещества.
Передача сигнала от клетки к клетке осуществляется в особых образованиях — синапсах. Это специализированная структура, обеспечивающая передачу нервного импульса с нервного волокна на какую-либо клетку (нервную, мышечную). Передача осуществляется с помощью особых веществ — медиаторов.
Нейроны разнообразны по форме, числу отростков, величине. Тела самых крупных нейронов достигают в диаметре 100—120 мкм (гигантские пирамиды Беца в коре больших полушарий), самые мелкие — 4—5 мкм (зернистые клетки коры мозжечка). По количеству отростков нейроны делятся на мультиполярные, биполярные, униполярные и псевдоунипо- лярные. Мультиполярные нейроны имеют один аксон и много дендритов, это большинство нейронов нервной системы. Биполярные имеют один аксон и один дендрит, униполярные — только аксон; они характерны для анализаторных систем. Из тела псевдоуниполярного нейрона выходит один отросток, который сразу после выхода делится на два, один из которых выполняет функцию дендрита, а другой аксона. Такие нейроны находятся в чувствительных ганглиях (рис. 1.18).
Рис. 1.18. Типы нейронов: а — псевдоуниполярный нейрон; б — биполярный нейрон; в — мотонейрон спинного мозга; г — пирамидный нейрон коры больших полушарий; д — клетка Пуркинье мозжечка; 1 — дендрит; 2 — тело нейрона; 3 — аксон; 4 — коллатераль аксона
Функционально нейроны подразделяются на чувствительные, вставочные (релейные и интернейроны) и двигательные. Чувствительные нейроны — нервные клетки, воспринимающие раздражения из внешней или внутренней среды организма. Двигательные нейроны — моторные нейроны, иннервирующие мышечные волокна. Кроме того, некоторые нейроны иннервируют железы. Такие нейроны вместе с двигательными называют исполнительными.
Часть вставочных нейронов (релейные, или переключательные, клетки) обеспечивает связь между чувствительными и двигательными нейронами. Релейные клетки, как правило, весьма крупные, с длинным аксоном (тип Гольджи I). Другая часть вставочных нейронов имеет небольшой размер и относительно короткие аксоны (интернейроны, или тип Гольджи II). Их функция связана с управлением состояния релейных клеток.
Все перечисленные нейроны формируют совокупности — нервные цепи и сети, проводящие, обрабатывающие и запоминающие информацию (рис. 1.19).
Рис. 1.19. Схема нейросети: 1 — чувствительный нейрон; 2 — релейный нейрон; 3 — двигательный нейрон; 4 — интернейроны типа Гольджи II; 5 — рецепторное окончание чувствительного нейрона в коже; 6 — эффекторное окончание двигательного (исполнительного) нейрона на мышце; —> — направление проведения нервного сигналаРис. 1.19. Схема нейросети: 1 — чувствительный нейрон; 2 — релейный нейрон; 3 — двигательный нейрон; 4 — интернейроны типа Гольджи II; 5 — рецепторное окончание чувствительного нейрона в коже; 6 — эффекторное окончание двигательного (исполнительного) нейрона на мышце; —> — направление проведения нервного сигналаНа концах отростков нейронов расположены нервные окончания (концевой аппарат нервного волокна). Соответственно функциональному разделению нейронов различают
Рис. 1.19. Схема нейросети: 1 — чувствительный нейрон; 2 — релейный нейрон; 3 — двигательный нейрон; 4 — интернейроны типа Гольджи II; 5 — рецепторное окончание чувствительного нейрона в коже; 6 — эффекторное окончание двигательного (исполнительного) нейрона на мышце; —> — направление проведения нервного сигнала
Рис. 1.19. Схема нейросети: 1 — чувствительный нейрон; 2 — релейный нейрон; 3 — двигательный нейрон; 4 — интернейроны типа Гольджи II; 5 — рецепторное окончание чувствительного нейрона в коже; 6 — эффекторное окончание двигательного (исполнительного) нейрона на мышце; —> — направление проведения нервного сигнала
рецепторные, эффекторные и межнейронные окончания. Рецепторными называются окончания дендритов чувствительных нейронов, воспринимающие раздражение; эффекторными — окончания аксонов исполнительных нейронов, образующие синапсы на мышечном волокне или на железистой клетке; межнейронными — окончания аксонов вставочных и чувствительных нейронов, образующие синапсы на других нейронах.
Общее направление эволюции ЦНС — увеличение числа вставочных нейронов. Из более чем ста миллиардов нейронов человека не менее 70% составляют именно вставочные нервные клетки.
Одной из особенностей нейронов является то, что после развития в эмбриональном периоде из клеток-предшественниц — нейробластов — нейроны существуют не делясь, т. е. постоянно находятся в интерфазе. Это биологически оправдано, так как в течение всей жизни организма между нейронами постоянно образуются новые связи. Они утрачивались бы в случае деления нейрона, и, следовательно, терялся бы индивидуальный опыт особи, «записанный» на синапсах.
Необходимо также подчеркнуть высокую скорость обменных процессов в нервной ткани. Показателем этого в первую очередь является потребление кислорода. Установлено, что головной мозг человека, вес которого составляет 2—2,5% от веса тела, потребляет до 20% поступающего в организм кислорода.
а)5)в)
Рис. 1.20. Виды нейроглии: а — астроциты; б — олигодендроциты; в — клетки микроглии среди более крупных нейронов
Как уже отмечалось, в нервную ткань, кроме нейронов, входят и клетки — спутницы нейронов — нейроглия (рис. 1.20). Клетки нейроглии (астроциты, олигодендроциты, микроглия) заполняют все пространство между нейронами, защищая их от механических повреждений (опорная функция). Их примерно в 10 раз больше, чем нейронов, и, в отличие от них, глиальные клетки сохраняют способность к делению в течение всей жизни. Кроме того, они образуют миелиновые оболочки вокруг нервных волокон. В ходе этого процесса олигодендроцит (в ЦНС) или его разновидность — шванновская клетка (в периферической нервной системе) обхватывает участок нервного волокна. Затем она образует вырост в виде язычка, который закручивается вокруг волокна, формируя слои миелина (цитоплазма при этом выдавливается). Таким образом, слои миелина представляют собой, по сути, плотно спрессованную цитоплазматическую мембрану.
Нейроглия выполняет также защитную функцию. Она заключается, во-первых, в том, что глиальные клетки (в основном астроциты) вместе с эпителиальными клетками капилляров образуют барьер между кровью и нейронами, не пропуская к последним нежелательные (вредные) вещества. Такой барьер называют гематоэнцефалическим. Во-вторых, клетки микроглии выполняют в нервной системе функцию фагоцитов. Осуществляя трофическую функцию, нейроглия снабжает нейроны питательными веществами, управляет водно-солевым обменом и т. п.
СТРОЕНИЕ
НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
РЕФЛЕКТОРНЫЙ ПРИНЦИП
РАБОТЫ МОЗГА
Нервная система объединяет организм человека в единое целое, регулирует и координирует функции всех органов и систем, поддерживает постоянство внутренней среды организма (гомеостаз), устанавливает взаимоотношения организма с внешней средой.
Для нервной системы характерны точная направленность нервных импульсов, большая скорость проведения информации, быстрая приспособляемость к изменяющимся условиям внешней среды. У человека нервная система создает основу психической деятельности, анализа и синтеза поступающей в организм информации (мышления, речи, сложных форм социального поведения).
Эти сложнейшие и жизненно важные задачи решаются с помощью нейронов, выполняющих функцию восприятия, передачи, обработки и хранения информации. Сигналы (нервные импульсы) от органов и тканей человека и из внешней среды, воздействующей на поверхность тела и органы чувств, поступают по нервам в спинной и головной мозг. В мозге человека происходят сложные процессы обработки информации. В результате из мозга также по нервам к органам и тканям идут ответные сигналы, вызывающие реакцию организма, которая проявляется в виде мышечной или секреторной деятельности. В ответ на поступившие из мозга импульсы происходит сокращение скелетных мышц или мускулатуры в стенках внутренних органов, кровеносных сосудов, а также секреция различных желез — слюнных, желудочных, кишечных, потовых и
других (выделение слюны, желудочного сока, желчи, гормонов железами внутренней секреции).
Из мозга к рабочим органам (мышцам, железам) нервные импульсы также следуют по цепям нейронов. Ответную реакцию организма на воздействия внешней среды или изменения его внутреннего состояния, выполняемую с участием нервной системы, называют рефлексом (от лат. ref Lexus — отражение, ответная реакция). Путь, состоящий из цепей нейронов, по которому нервный импульс проходит от чувствительных нервных клеток до рабочего органа, называют рефлекторной дугой. У каждой рефлекторной дуги можно выделить первый нейрон — чувствительный, или приносящий, который воспринимает воздействия, образует нервный импульс и приносит его в ЦНС. Следующие нейроны (один или несколько) являются вставочными, проводниковыми нейронами, расположенными в головном мозге. Вставочные нейроны проводят нервные импульсы от приносящего, чувствительного нейрона к последнему, выносящему, эфферентному нейрону. Последний нейрон выносит нервный импульс из мозга к рабочему органу (мышце, железе), включает этот орган в работу, вызывает эффект, поэтому называется также эффекторным нейроном.
Простая рефлекторная дуга состоит из трех нейронов (рис. 2.1). Тело первого нейрона (чувствительного, приносящего) располагается в спинномозговом узле (или чувствительном узле черепного нерва). Периферические отростки этих чувствительных клеток (дендриты) проходят в составе соответствующих спинномозговых (или черепных) нервов на периферию, где заканчиваются чувствительными нервными окончаниями (рецепторами), воспринимающими раздражения. Возникший в рецепторе нервный импульс по нервному волокну передается к телу нервной клетки, а затем по ее аксону в составе чувствительного нерва поступает в спинной или головной мозг. В спинном или головном мозге нервный импульс передается следующему, второму (вставочному) нейрону, который проводит импульс к третьему выносящему (двигательному или секреторному) нейрону. Аксон (нейрит) третьего нейрона выходит из спинного (головного) мозга в составе переднего (двигательного) корешка спинномозгового или соответствующего черепного нерва и направляется к рабочему органу.
Сложные рефлекторные дуги состоят из многих нейронов. У таких рефлекторных дуг между приносящим (афферент-
Рис. 2.1. Схема простой рефлекторной дуги: 1 — передний канатик спинного мозга; 2 — передний рог; 3 — боковой канатик; 4 — задний рог; 5 — задний корешок спинномозгового нерва; 6 — вставочный (проводниковый) нейрон; 7 — приносящий (чувствительный) нейрон; 8 — спинномозговой узел; 9— спинномозговой нерв; 10— корешок спинномозгового нерва; 11 — выносящий (двигательный) нейрон
ным) и выносящим (эфферентным) нейронами располагается несколько вставочных нейронов, передающих нервный импульс от одной нервной клетки к следующей клетке.
ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ
НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
Нервная система человека образуется из наружного слоя клеток зародыша — эктодермы, и в начале своего развития представляет собой трубку, в центре которой находится канал. В конце третьей недели развития головной конец нервной трубки преобразуется в мешковидное расширение, дающее начало трем первичным мозговым пузырям, а задний отдел дает начало спинному мозгу. В дальнейшем из переднего мозгового пузыря развивается передний мозг, из среднего — средний мозг, из заднего — задний мозг (рис. 2.2).
Затем из трех пузырей образуется пять, так как первый и третий первичные мозговые пузыри разделяются, образуя каждый по два вторичных мозговых пузыря. Производными двух передних пузырей являются конечный мозг (полушария большого мозга и базальные ганглии) и промежуточный мозг. Средний мозг сохраняется как единое целое. Задний мозг раз-
Рис. 2.2. Стадии раннего развития головного мозга: а — стадия трех мозговых пузырей; б — стадия пяти мозговых пузырей; I — вид сбоку; II — вид сверху; 1 — задний мозг; 2 — передний мозг; 3 — средний мозг; 4 — мозжечок; 5 — мост; 6 — продолговатый мозг; 7 — промежуточный мозг; 8 — конечный мозг
деляется на собственно задний мозг, включающий мозжечок и варолиев мост, и продолговатый мозг.
После формирования мозговых пузырей в структурах нервной системы происходят сложные процессы внутренней дифференциации и роста различных отделов головного и спинного мозга. Полушария быстро становятся самой большой частью нервной системы, происходит выделение основных долей, начинается образование борозд и извилин. В ткань мозга врастают кровеносные сосуды.
В последние месяцы эмбрионального развития в нервной системе заканчивается формирование внутренней структуры мозга. Начинается активное образование миелиновых оболочек, которое завершается примерно к 10 годам.
ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
О СТРОЕНИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
По топографическому принципу всю нервную систему делят на центральную и периферическую. Центральная нервная система включает головной и спинной мозг, защищен-
ные мозговыми оболочками. Периферическая нервная система — это нервы, нервные узлы, нервные сплетения и нервные окончания. Периферическую нервную систему человека составляют 12 пар черепных нервов, 31 пара спинномозговых нервов, чувствительные и вегетативные ганглии, нервные сплетения. Нервные сплетения — это совокупность нервных волокон от разных нервов, иннервирующих кожный покров, скелетные мышцы тела и внутренние органы. Кроме того, в нервное сплетение могут входить небольшие вегетативные ганглии. В зависимости от расположения нервные сплетения делят на внутри- и внеорганные. Одно из наиболее известных сплетений — чревное (солнечное).
По функциональному признаку нервная система подразделяется на соматическую и вегетативную. У каждой из них есть центральная (находящаяся в ЦНС) и периферическая (находящаяся за пределами ЦНС) части. Соматическая нервная система регулирует работу скелетных мышц, осуществляя связь организма с внешней средой. С ее помощью мы можем произвольно, по собственному желанию, управлять деятельностью скелетной мускулатуры. Вегетативная ^автономная) нервная система регулирует работу внутренних органов. Она управляет активностью гладкой и сердечной мускулатуры, а также желез, координируя их деятельность. Человек не может сознательно управлять работой этой системы, т. е. она непроизвольная.
ОБОЛОЧКИ И ПОЛОСТИ
ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
Нервная система играет огромную роль в жизни организма, и совершенно необходимо, чтобы она была надежно защищена от внешних механических раздражителей. В связи с этим ЦНС находится в окружении костных структур. Головной мозг располагается внутри черепа, спинной — внутри позвоночного канала, они окружены тремя мозговыми оболочками (рис. 2.3).
Твердая оболочка — наружная, плотная и прочная, состоит из двух слоев соединительной ткани: наружный срастается с надкостницей черепа (канала позвоночника), внутренний
образует плотный слой вокруг головного и спинного мозга. Эта оболочка дает выросты между двумя большими полушариями, между полушариями и мозжечком.
Мягкая (сосудистая) оболочка тесно связана с мозгом; проникает во все борозды и щели и содержит кровеносные сосуды; В некоторых местах она врастает в желудочки мозга, образуя сосудистые сплетения.
Паутинная оболочка — тонкая мембрана, отделяющая твердую оболочку от мягкой. Это тонкий слой рыхлой соединительной ткани. Между паутинной и сосудистой оболочками расположено подпаутинное пространство, заполненное особой жидкостью — ликвором, поступающим туда из отверстий в четвертом мозговом желудочке. Ликвор заполняет все полости ЦНС.
Рис. 2.3. Оболочки головного мозга: 1 — твердая оболочка; 2 — паутинная оболочка; 3 — сосудистая оболочка; 4 — кожа; 5 — череп; 6 — подпаутинное пространство; 7 — нервная тканьРис. 2.3. Оболочки головного мозга: 1 — твердая оболочка; 2 — паутинная оболочка; 3 — сосудистая оболочка; 4 — кожа; 5 — череп; 6 — подпаутинное пространство; 7 — нервная тканьВ процессе развития нервной системы канал нервной трубки в передней ее части расширяется. Из задней, нерасширенной, части развивается в дальнейшем спинномозговой канал, а из передней — желудочки головного мозга. Диаметр спинномозгового канала около 1 мм. В месте соединения спинного и головного мозга он переходит в четвертый мозговой желудочек — полость заднего мозга. Сверху четвертый желудочек ограничен мозжечком. На границе продолговатого мозга и моста он расширяется и образует ромбовидную ямку — дно четвертого желудочка.
Рис. 2.3. Оболочки головного мозга: 1 — твердая оболочка; 2 — паутинная оболочка; 3 — сосудистая оболочка; 4 — кожа; 5 — череп; 6 — подпаутинное пространство; 7 — нервная ткань
Рис. 2.3. Оболочки головного мозга: 1 — твердая оболочка; 2 — паутинная оболочка; 3 — сосудистая оболочка; 4 — кожа; 5 — череп; 6 — подпаутинное пространство; 7 — нервная ткань
Внутри среднего мозга четвертый желудочек переходит в мозговой водопровод— канал диаметром 1—2 мм и длиной около 1,5 см. Этот канал соединяет четвертый и третий желудочки. Третий желудочек — полость промежуточного мозга. Он имеет щелевидную форму и спускается вниз — в гипотала-
мус и воронку гипофиза. Из третьего желудочка открываются межжелудочковые отверстия в боковые (правый и левый) желудочки (рис. 2.4).
Первый и второй желудочки (боковые желудочки) — это полости в больших полушариях. Их центральная часть расположена в теменной доле. От нее отходят три рога — передний (в лобную долю), задний (в затылочную долю) и нижний (в височную долю).
Как уже было отмечено, все полости мозга заполнены ликвором, имеющим многочисленные функции. Мозг лежит как бы на «водяной подушке», поскольку ликвор окружает его, находясь в подпаутинном пространстве. Ликвор поддерживает ионный баланс мозговой ткани, переносит биологически активные вещества, выделяемые в полость желудочков (медиаторы, гормоны, нейросекреты), удаляет продукты метаболизма. Таким образом сохраняется постоянство внутренней среды мозга.
Ликвор выделяется в полость желудочков из сосудистых сплетений, образуемых сосудистой оболочкой (в основном в боковых желудочках). Далее жидкость перетекает в третий и четвертый желудочки и через отверстия в оболочках последнего поступает в подпаутинное пространство, а оттуда — снова в кровь. При нарушении такой циркуляции ликвора развивается гидроцефалия (водянка мозга). Причиной могут быть родовые травмы, менингит (воспаление оболочек мозга), опухоли мозга.
Рис. 2.4. Полости центральной нервной системы: 1 — передний рог, 2 — центральная часть, 3 — задний рог бокового желудочка; 4 — нижний рог бокового желудочка; 5 — третий желудочек; 6 — мозговой водопровод; 7 — четвертый желудочек; 8 — спинномозговой канал
СПИННОЙ МОЗГ
Спинной мозг по внешнему виду представляет собой длинный, цилиндрической формы, уплощенный спереди назад тяж, с узким центральным каналом внутри.
Он располагается в позвоночном канале и на уровне нижнего края большого затылочного отверстия переходит в головной мозг. Внизу спинной мозг заканчивается на уровне I—II поясничных позвонков сужением — мозговым конусом. От мозгового конуса тянется вниз концевая (терминальная) нить, которая в своих верхних отделах еще содержит нервную ткань, а ниже уровня II крестцового позвонка — это соединительнотканное образование, представляющее собой продолжение всех трех оболочек спинного мозга. Заканчивается терминальная нить на уровне тела II копчикового позвонка, срастаясь с его надкостницей. Терминальная нить окружена длинными корешками нижних спинномозговых нервов, которые образуют в позвоночном канале пучок, получивший название конский хвост.
Длина спинного мозга у взрослого человека в среднем 43 см (у мужчин — 45, у женщин 41—42 см), масса — около 34—38 г, что составляет примерно 2% массы головного мозга.
В шейном и пояснично-крестцовом отделах спинного мозга обнаруживаются два заметных утолщения — шейное и пояснично-крестцовое. Образование утолщений объясняется скоплением в этих частях мозга большого количества нервных клеток и волокон, иннервирующих верхние и нижние конечности.
На передней поверхности спинного мозга видна передняя срединная щель. По срединной линии задней поверхности мозга проходит задняя срединная борозда. Передняя щель и задняя борозда являются границами, разделяющими спинной мозг на правую и левую симметричные половины.
На передней поверхности спинного мозга с каждой стороны от срединной щели проходит передняя латеральная (боковая) борозда, которая является местом выхода из спинного мозга переднего (двигательного) корешка. Эта борозда служит также границей на поверхности спинного мозга между передним и боковым канатиками. На задней поверхности спинного мозга, на каждой его половине, имеется задняя латеральная борозда, место вхождения в спинной мозг заднего (чувствительного) корешка. Эта борозда служит границей между боковым и задним канатиками спинного мозга.
Передние корешки спинномозговых нервов состоят из отростков двигательных (моторных) нервных клеток, расположенных в переднем роге серого вещества спинного мозга.
Задний, корешок представлен совокупностью проникающих в спинной мозг центральных отростков псевдоуниполяр- ных (чувствительных) клеток, тела которых образуют спинномозговой узел, лежащий у места соединения заднего корешка с передним.
На всем протяжении спинного мозга с каждой его стороны отходит 31 пара корешков спинномозговых нервов. Отрезок спинного мозга, соответствующий двум парам корешков спинномозговых нервов (два передних и два задних), называют сегментом спинного мозга.
Спинной мозг человека состоит из 31 сегмента. Различают 8 шейных, 12 грудных, 5 поясничных, 5 крестцовых и 1 копчиковый сегменты спинного мозга. Протяженность спинного мозга значительно меньше длины позвоночного столба, поэтому порядковый номер сегмента спинного мозга и уровень их положения, начиная с нижнего шейного отдела, не соответствует порядковым номерам одноименных позвонков.
Спинной мозг построен из серого и белого вещества. Серое вещество состоит из тел нервных клеток и нервных волокон — отростков нервных клеток. Белое вещество образовано только нервными волокнами — отростками нервных клеток как самого спинного мозга, так и головного мозга. Серое вещество в спинном мозге занимает центральное положение. В центре серого вещества проходит центральный канал. Снаружи от серого вещества располагается белое вещество спинного мозга.
В каждой половине спинного мозга серое вещество образует серые столбы. Правый и левый серые столбы соединены поперечной пластинкой — серой спайкой, в центре которой видно отверстие центрального канала. Кпереди от центрального канала находится передняя спайка спинного мозга, кзади — задняя спайка. На поперечном разрезе спинного мозга серые столбы вместе с серой спайкой имеют форму буквы «Н» или бабочки с расправленными крыльями (рис. 2.5). Образованные в стороны выступы серого вещества получили название рогов. Выделяют парные, более широкие передние рога и узкие, также парные задние рога. В передних рогах спинного мозга расположены крупные нервные клетки — двигательные нейроны (мотонейроны). Их аксоны образуют основную часть волокон передних корешков спинномозговых нервов. Нейроны, расположенные в каждом переднем роге, образуют
пять ядер: два медиальных и два латеральных, а также центральное ядро. Отростки клеток этих ядер направляются к скелетным мышцам.
Задний рог состоит из вставочных нейронов, отростки которых (аксоны) направляются в передний рог, а также переходят через переднюю белую спайку на противоположную сторону спинного мозга.
На нервных клетках ядер задних рогов заканчиваются нервные волокна (чувствительные) задних корешков, являющихся отростками нервных клеток, тела которых располага-
Рис. 2.5. Схема строения спинного мозга на поперечном разрезе: 7 — передняя срединная щель; 2 — передний канатик; 3 — ядра (двигательные) переднего рога; 4 — передний рог; 5 — боковой (латеральный) канатик; 6 — промежуточно-латеральное (вегетативное, симпатическое) ядро; 7 — боковой рог; 8 — промежуточно-медиальное ядро; 9 — грудное ядро; 10 — собственное ядро заднего рога; 11 —задний рог; 12 — задний канатик; 13— тонкий пучок; 14— клиновидный пучок; 15— задний спинно-мозжечковый путь; 16 — корково-спинномозговой (пирамидный) латеральный путь; 17 — красноядерно-спинномозго- вой путь; 18 — спинно-таламический путь; 19 — спинно-мозжечковый передний путь; 20 — ретикуло-спинно- мозговой путь; 21 — преддверно-спинномозговой путь; 22 — корково-спинномозговой (пирамидный) передний путь
ются в спинномозговых узлах. Периферическая часть задних рогов перерабатывает и проводит болевые импульсы. Средняя связана с кожной (тактильной) чувствительностью. Зона в основании заднего рога обеспечивает обработку и проведение мышечной чувствительности.
Промежуточная зона серого вещества спинного мозга расположена между передними и задними рогами. В этой зоне на протяжении от VIII шейного по II поясничный сегмент имеются выступы серого вещества — боковые рога. В боковых рогах находятся центры симпатической части вегетативной нервной системы в виде групп нервных клеток, объединенных в латеральное (боковое) промежуточное вещество. Аксоны этих клеток проходят через передний рог и выходят из спинного мозга в составе передних корешков спинномозговых нервов. Промежуточно-медиальное ядро (см. рис. 2.5) является основным «вычислительным центром» спинного мозга. Здесь обработанные в заднем роге сенсорные сигналы сопоставляются с сигналами из головного мозга и принимается решение о запуске вегетативной или моторной реакции. В первом случае пусковые стимулы направляются в боковой рог, во втором — в передний рог.
В белом веществе выделяют три парных канатика. Передний канатик расположен между срединной щелью (медиальной) и передней латеральной бороздой (место выхода передних корешков). Задний канатик находится между задней срединной и задней латеральной бороздами, боковой канатик — между передней и задней латеральными бороздами. Состоит белое вещество из нервных волокон, по которым нервные импульсы следуют или вверх, от спинного мозга к головному, или вниз — от головного к спинному. В глубине всех канатиков, в непосредственной близости от серого вещества, лежат короткие межсегментарные нервные волокна, соединяющие соседние сегменты спинного мозга. Они выделяются в собственный сегментарный аппарат спинного мозга. Волокна нейронов спинномозговых ганглиев, проникающие в спинной мозг в составе задних корешков, вступают в задний рог, часть волокон продолжает свой путь, входит в состав задних канатиков и поднимается вверх, к головному мозгу. Они относятся к восходящим проводящим путям спинного мозга.
Проводящие пути спинного мозга расположены кнаружи от его межсегментарных (собственных) пучков. По проводящим путям в восходящем направлении проходят импульсы от чувствительных и вставочных нейронов спинного мозга. В нисходящем направлении импульсы следуют от нервных клеток
головного мозга к вставочным и двигательным нейронам спинного мозга.
К восходящим путям спинного мозга относятся тонкий и клиновидный пучки, занимающие место в заднем канатике, а также задний и передний спинно-мозжечковые пути, боковой спинно-таламический путь, располагающиеся в боковом канатике.
Тонкий и клиновидный пучки располагаются в заднем канатике. Они образованы нейритами чувствительных нейронов спинномозговых узлов. Эти пучки проводят нервные импульсы в продолговатый мозг от чувствительных окончаний (про- приорецепторов) мышц и суставов, а также кожи. Тонкий пучок проводит импульсы от рецепторов нижних конечностей и нижней половины тела (до V грудного сегмента). Клиновидный пучок несет нервные импульсы от верхних конечностей и верхней половины тела.
Задний спинно-мозжечковый путь лежит в задней части бокового канатика. Он берет начало от клеток ядра, которое находится в медиальной части основания заднего рога одноименной стороны.
Передний спинно-мозжечковый путь состоит из отростков вставочных нейронов промежуточно-медиального ядра, расположенного с противоположной стороны серого вещества.
Оба спинно-мозжечковые пути проводят проприоцептивные импульсы от скелетных мышц к мозжечку.
Спинно-таламический путь находится также в боковом канатике и состоит из волокон вставочных нейронов заднего рога противоположной стороны. Путь проводит импульсы болевой и температурной чувствительности к верхней части промежуточного мозга (таламусу).
Нисходящие проводящие пути включают красноядерно- спинномозговой, латеральный корково-спинномозговой (пирамидный), расположенные в боковом канатике спинного мозга, а также занимающие место в переднем канатике передний корково-спинномозговой (пирамидный), покрышечноспинномозговой пути, преддверно-спинномозговой и др.
Красноядерно-спинномозговой (руброспинальный) путь начинается от красного ядра среднего мозга, спускается в боковом канатике противоположной стороны спинного мозга к вставочным нейронам промежуточно-медиального ядра. Этот путь связан с непроизвольными движениями конечностей (прежде всего сгибанием).
Латеральный корково-спинномозговой (кортикоспинальный, пирамидный) путь лежит в латеральном канатике кнут-
ри от спинно-мозжечковых путей и состоит из аксонов клеток коры большого мозга полушария противоположной стороны. Путь постепенно истончается, так как в каждом сегменте спинного мозга часть его волокон заканчивается на нейронах промежуточно-медиального ядра и (около 8%) — на двигательных клетках переднего рога. Путь проводит от коры произвольные двигательные импульсы.
Передний корково-спинномозговой (кортикоспинальный, пирамидный) путь, как и латеральный, состоит из аксонов клеток коры полушария большого мозга, но лежит в переднем канатике спинного мозга. Нервные волокна этого пути оканчиваются на клетках противоположной стороны, переходя туда в составе передней спайки спинного мозга. Этот путь имеет такую же функцию, что и латеральный корково-спинномозговой.
Покрышечно-спинномозговой путь лежит также в переднем канатике кнутри от переднего пирамидного пути. Начинается этот путь в верхних и нижних холмиках крыши среднего мозга и заканчивается на клетках передних рогов. Он участвует в запуске ориентировочной реакции.
Преддверно-спинномозговой (вестибулоспинальный) путь лежит в переднем канатике спинного мозга. Он идет от вестибулярных ядер моста к передним рогам спинного мозга и проводит импульсы, обеспечивающие равновесие тела, в частности разгибание конечностей.
Ретикуло-спинномозговой путь идет от ретикулярных ядер продолговатого мозга и моста. Связан с непроизвольными движениями туловища и запуском локомоции (перемещений в пространстве), эволюционно самый древний.
ОБЩЕЕ СТРОЕНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА
Головной мозг располагается в полости черепа. Мозг имеет сложную форму, которая соответствует рельефу свода черепа и черепных ямок. Верхне-боковые отделы головного мозга выпуклые, основание уплощено и имеет неровности. В области основания от головного мозга отходят 12 пар черепных нервов.
Строение и функции мозга связаны с особенностями его развития. И головной, и спинной мозг развиваются из задней части наружного зародышевого листка — эктодермы, где образуется нервная трубка, расширяющаяся и утолщающаяся в головном отделе зародыша. В дальнейшем стенки мозговых пузырей в одних местах утолщаются, в других остаются тон-
ними и втягиваются внутрь вместе с прилежащими сосудами. В таких местах образуются сосудистые сплетения желудочков мозга, продуцирующие спинномозговую жидкость. Полости мозговых пузырей преобразуются в желудочки мозга, а просвет нервной трубки — в центральный канал спинного мозга. В процессе дальнейшего развития мозга из каждого из пяти мозговых пузырей образуется соответствующий отдел мозга — продолговатый, задний, средний, промежуточный и конечный мозг. Задний мозг подразделяется на мост и мозжечок.
Масса головного мозга у взрослого человека колеблется от 1100 до 2000 г. В среднем она равна у мужчин 1394 г, у женщин — 1245 г. Эта разница обусловлена меньшей массой тела у женщин. У головного мозга выделяют мозговой ствол с мозжечком и полушария большого мозга, которые накрывают остальные части мозга спереди, сверху и с боков (рис. 2.6). Полушария отделены друг от друга продольной щелью большого
Рис. 2.6. Медиальная поверхность головного мозга на срединном разрезе: 1 — гипоталамус; 2 — полость третьего желудочка; 3 — передняя (белая) спайка; 4 — свод мозга; 5 — мозолистое тело; 6 — межталамическое сращение; 7 — таламус; 8 — эпиталамус; 9 — средний мозг; 10 — мозг; 11 — мозжечок; 12 — продолговатый мозг
мозга. В глубине этой щели находится мозолистое тело, которое соединяет оба полушария. Затылочные доли отделены от мозжечка поперечной щелью большого мозга.
На верхнелатеральной, медиальной и нижней (базальной) поверхностях полушарий большого мозга видны борозды. Глубокие борозды разделяют полушария на доли Злобную, теменную, височную, затылочную), мелкие борозды отделяют более узкие участки — извилины. На нижней поверхности находятся выступающие вперед лобные доли, по бокам расположены височные доли. В средней части между височными долями видна нижняя поверхность промежуточного, среднего, продолговатого мозга, переходящего в спинной мозг. По бокам от моста и продолговатого мозга выступает нижняя поверхность полушарий мозжечка (рис. 2.7).
На нижней поверхности (основании) головного мозга видны следующие анатомические структуры: в обонятельных бороздах лобных долей располагаются обонятельные луковицы, которые кзади переходят в обонятельные тракты и обонятельные треугольники. К обонятельным луковицам подходят 15— 20 обонятельных нитей — I пара черепных нервов. Сзади от обонятельных треугольников с обеих сторон видно переднее продырявленное вещество, через которое в глубь мозга проходят кровеносные сосуды. Между обоими участками продырявленного вещества расположен перекрест зрительных нервов — II пара черепных нервов. Кзади от зрительного перекреста находится серый бугор, переходящий в воронку, соединенную с гипофизом, а позади от серого бугра — 2 сосцевидных (мамиллярных) тела. Эти образования принадлежат промежуточному мозгу — гипоталамусу. За гипоталамусом следуют ножки мозга (средний мозг), а за ними в виде поперечного валика мост мозга. Между ножками мозга открывается межножковая ямка, дно которой продырявлено — заднее продырявленное вещество. Лежащие по бокам от продырявленного вещества ножки мозга соединяют мост с полушариями большого мозга. На внутренней поверхности каждой ножки мозга возле переднего края моста выходит глазодвигательный нерв (III пара), а сбоку от ножки мозга — блоковой нерв (IV пара черепных нервов). От моста кзади и латерально расходятся толстые средние ножки мозжечка. В месте выхода средней ножки из нижней поверхности моста виден тройничный нерв (V пара). Кзади от моста расположен продолговатый мозг. Из поперечной борозды, отделяющей продолговатый мозг от моста, медиально выходит отводящий нерв (VI пара),
а латеральное — лицевой нерв (VII пара) и предцверно-улитковый нерв (VIII пара черепных нервов). По бокам от срединной борозды продолговатого мозга видны продольные утолщения — пирамиды, а сбоку от каждой из них находится олива. Из борозды позади оливы из продолговатого мозга выходят последовательно черепные нервы — языкоглоточный (IX пара), блуждающий (X пара), добавочный (XI пара), а из борозды между пирамидой и оливой — подъязычный нерв (XII пара черепных нервов).
Рис. 2.7. Основание головного мозга и места выхода корешков черепных нервов: 1 — обонятельная луковица; 2 — обонятельный тракт; 3 — переднее продырявленное вещество; 4 — серый бугор; 5 — зрительный тракт; 6 — сосцевидные тела; 7 — тройничный узел; 8 — заднее продырявленное вещество; 9 — мост; 10 — мозжечок; 11 — пирамида; 12 — олива; 13 — спинномозговой нерв; 14 — подъязычный нерв; 15 — добавочный нерв; 16 — блуждающий нерв; 17 — языкоглоточный нерв; 18 — преддверно-улитковый нерв; 19— лицевой нерв; 20— отводящий нерв; 21 — тройничный нерв; 22 — блоковой нерв; 23 — глазодвигательный нерв; 24 — зрительный нерв; 25 — обонятельная борозда
ПРОДОЛГОВАТЫЙ МОЗГ
Продолговатый мозг является непосредственным продолжением спинного мозга. Нижней его границей считают место выхода корешков первого шейного спинномозгового нерва или перекрест пирамид, верхней границей является задний край моста.
Длина продолговатого мозга около 25 мм, форма его приближается к усеченному конусу, обращенному основанием вверх. Переднюю поверхность продолговатого мозга разделяет передняя срединная щель, по бокам которой располагаются пирамиды. Пирамиды образованы пучками нервных волокон пирамидных проводящих путей. Волокна пирамидных путей соединяют кору большого мозга с ядрами черепных нервов и серым веществом спинного мозга. Сбоку от пирамиды с каждой стороны располагается олива, отделенная от пирамиды передней латеральной бороздой.
Задняя поверхность продолговатого мозга разделена задней срединной бороздой. По бокам от борозды расположены продолжения задних канатиков спинного мозга, которые кверху расходятся и переходят в нижние мозжечковые ножки, они ограничивают снизу ромбовидную ямку. На клиновидном и тонком пучках заднего канатика вблизи нижнего угла ромбовидной ямки видны бугорки, содержащие ядра: клиновидное (латеральнее) и тонкое (медиальнее).
Продолговатый мозг построен из белого и серого вещества.
Серое вещество продолговатого мозга представлено ядрами IX, X, XI, XII пар черепных нервов, олив, ретикулярной формации.
Белое вещество образовано нервными волокнами, составляющими соответствующие проводящие пути. Двигательные проводящие пути (нисходящие) располагаются в передних отделах продолговатого мозга, чувствительные (восходящие) лежат более дорзально (сзади). Ядро оливы выполняет двигательную функцию и связано с мозжечком.
Ретикулярная формация представляет собой совокупность клеток, клеточных скоплений и нервных волокон, образующих сеть, расположенную в стволе мозга (продолговатый мозг, мост и средний мозг). Ретикулярная формация связана со всеми органами чувств, двигательными и чувствительными областями коры большого мозга, таламусом и гипоталамусом, спинным мозгом. Она регулирует уровень возбудимости и тонуса различных отделов нервной системы, включая кору по-
лушарий большого мозга, участвует в регуляции сна и бодрствования, вегетативных функций, движений.
Выше продолговатого мозга располагается мост, а кзади от него находится мозжечок.
МОСТ
Мост (Варолиев мост) имеет вид лежащего поперечно утолщенного валика, от латеральной стороны которого справа и слева отходят средние мозжечковые ножки. Задняя поверхность моста, прикрытая мозжечком, как и задняя поверхность продолговатого мозга, участвует в образовании ромбовидной ямки. Передняя поверхность внизу образует четкую границу с продолговатым мозгом, а вверху мост граничит с ножками мозга. Передняя поверхность моста поперечно исчерчена в связи с поперечным направлением волокон, которые идут от собственных ядер моста в средние мозжечковые ножки и дальше — в мозжечок. На передней поверхности моста по средней линии расположена продольная базилярная борозда, в которой лежит одноименная артерия. На фронтальном разрезе через мост видны две его части: передняя (основная, базилярная} и задняя (покрышка).
В покрышке располагается ретикулярная формация, залегают ядра V, VI, VII, VIII пар черепных нервов, проходят восходящие проводящие пути. '
Передняя (базилярная) часть моста состоит из нервных волокон, образующих проводящие пути, среди которых находятся ядра. Проводящие пути базилярной части связывают кору большого мозга со спинным мозгом, с двигательными ядрами черепных нервов и с корой полушарий мозжечка. Между нервными волокнами проводящих путей залегают собственные ядра моста. На границе между обеими частями моста лежит трапециевидное тело, образованное поперечно идущими волокнами проводящего пути слухового анализатора.
Задняя поверхность моста и продолговатого мозга служит дном четвертого желудочка, который по своему происхождению является полостью ромбовидного мозга (заднего мозгового пузыря). Четвертый желудочек книзу продолжается в узкий центральный канал спинного мозга, а кверху — в водопровод мозга — узкую полость среднего мозга. Дно четвертого желудочка благодаря своей форме называется ромбовидной ямкой. Верхние стороны ямки ограничивают верхние мозжечко-
вые ножки, а нижние стороны образованы нижними мозжечковыми ножками. Срединная борозда делит дно ромбовидной ямки на две симметричные половины. По обеим сторонам борозды видны медиальные возвышения, имеющие в середине ямки правый и левый лицевые бугорки. В толще лицевого бугорка залегает ядро VI пары черепных нервов (отводящего нерва), а в глубине и чуть латеральнее лежит ядро VII пары (лицевого нерва). Внизу, уже в области продолговатого мозга, медиальное возвышение переходит в треугольник подъязычного нерва, латеральнее которого находится треугольник блуждающего нерва. В треугольниках, в толще вещества мозга залегают ядра одноименных нервов. Боковые отделы ромбовидной ямки получили название вестибулярных полей, так как в их толще лежат слуховые и вестибулярные ядра преддверно-улиткового нерва (VIII пара черепных нервов). От слуховых ядер отходят к срединной борозде поперечные мозговые полоски, располагающиеся на границе между продолговатым мозгом и мостом и являющиеся волокнами проводящего пути слухового анализатора.
В толще ромбовидной ямки залегают ядра V, VI, VII, VIII, IX, X, XI, XII пар черепных нервов. Чувствительные ядра черепных нервов располагаются латерально. Медиальнее их лежат вегетативные ядра, а наиболее медиально ■— двигательные. Чтобы понять, как расположены ядра в толще ромбовидной ямки, нужно учитывать, что замкнутая нервная трубка при переходе от спинного в продолговатый мозг раскрылась на своей дорзальной стороне и развернулась, образовав ромбовидную ямку. Впоследствии эти задние (чувствительные) рога спинного мозга, связанные с обработкой сенсорной информации, как бы разошлись в стороны. Заложенные в задних рогах вставочные нейроны чувствительных ядер расположились в ромбовидной ямке латерально, а соответствующие передним рогам двигательные нейроны (двигательные ядра) остались лежать медиально. Что касается вегетативных ядер, заложенных в боковых рогах спинного мозга, то, соответственно положению боковых рогов между задними и передними, эти ядра при развертывании нервной трубки оказались лежать в веществе ромбовидной ямки между чувствительными и вегетативными ядрами.
Тройничный нерв (V пара) имеет четыре ядра, в том числе двигательное и чувствительные (мостовое ядро, ядро среднемозгового пути и ядро спинномозгового пути тройничного нерва). Отводящий нерв (VI пара) имеет только одно двигатель-
ное ядро. У лицевого нерва (VII пара) три ядра: двигательное ядро, чувствительное ядро одиночного пути и парасимпатическое — верхнее слюноотделительное ядро. Преддверно-улитковый нерв (VIII пара) имеет две группы ядер: два слуховых улитковых (переднее и заднее) и четыре вестибулярных: медиальное, латеральное, верхнее и нижнее. Языкоглоточный нерв (IX пара) имеет три ядра: двигательное двойное, общее для IX и X пар, чувствительное ядро одиночного пути (общее для VII, IX, X пар) и парасимпатическое — нижнее слюноотделительное. У блуждающего нерва (X пары) три ядра: двигательное двойное (общее с IX парой) и чувствительное, а также парасимпатическое — заднее ядро блуждающего нерва. Добавочный нерв (XI пара) имеет только двигательное ядро. У подъязычного нерва (XII пары) тоже одно двигательное ядро.
Крыша четвертого желудочка вверху образована верхним мозговым парусом, натянутым между верхними мозжечковыми ножками. Задне-нижняя часть крыши образуется нижним мозговым парусом, который прикрепляется к дольке мозжечка, а также сосудистой основой четвертого желудочка, пополняющей нижний мозговой парус. Паруса, соединяясь вверху, образуют угол (купол, шатер), который вдается в мозжечок. Через три отверстия в крыше полость четвертого желудочка сообщается с подпаутинным пространством: срединное сзади и два по бокам, из которых спинномозговая жидкость оттекает из четвертого желудочка в подпаутинное (подоболочечное) пространство. В толще сосудистой основы четвертого желудочка имеется его сосудистое сплетение, продуцирующее спинномозговую жидкость. Над четвертым желудочком, являющимся по существу полостью моста и продолговатого мозга (ромбовидного мозга — в эмбриогенезе), находится мозжечок, или, как его называют, «малый мозг».
Продолговатый мозг и мост выполняют важнейшие функции. В чувствительные ядра черепных нервов, расположенные в этих отделах мозга, поступают нервные импульсы от кожи головы, слизистых оболочек рта и полости носа, глотки и гортани, от органов пищеварения и дыхания, от органа слуха, вестибулярного аппарата, сердца и сосудов. По аксонам клеток двигательных и вегетативных (парасимпатических) ядер продолговатого мозга и моста импульсы следуют не только к скелетным мышцам головы (жевательным, мимическим, языка и глотки), но и к гладкой мускулатуре органов пищеварения, дыхания (бронхи) и сердечно-сосудистой системы, к слюнным и другим железам.
Через ядра продолговатого мозга выполняются многие рефлекторные акты, в том числе защитные (кашель, мигание, слезоотделение, чихание). Нервные центры (ядра) продолговатого мозга участвуют в рефлекторных актах глотания, секреторной функции пищеварительных желез. Вестибулярные (преддверные) ядра, в которых берет начало преддверно-спинномозговой путь, выполняют сложнорефлекторные акты перераспределения тонуса скелетных мышц, равновесия, обеспечивают «позу стояния». Эти рефлексы получили название установочных рефлексов. Расположенные в продолговатом мозге важнейшие дыхательный и сосудодвигательный (сердечно-сосудистый) центры участвуют в регуляции функции дыхания (вентиляции легких), деятельности сердца и сосудов; повреждение их приводит к смерти.
В ретикулярных ядрах продолговатого мозга и моста находятся центры сна и бодрствования, а также двигательные центры, образующие спинно-ретикулярный тракт. В верхней части ромбовидной ямки находится область, называемая «голубое пятно».
МОЗЖЕЧОК
Мозжечок выполняет функции управления движениями — как целенаправленными произвольными, так и быстрыми автоматизированными — регуляция позы, локомоции, мышечного тонуса, поддержание равновесия тела. У мозжечка различают два выпуклых полушария и червь — непарную срединную часть. Поверхности полушарий и червя разделяют поперечные параллельные борозды (щели), между которыми расположены узкие и длинные листки мозжечка. Благодаря этому его поверхность у взрослого человека составляет в среднем 850 см2. У мозжечка различают верхнюю и нижнюю поверхности, между которыми по заднему краю проходит глубокая горизонтальная щель. В боковых отделах горизонтальная щель берет начало у места вхождения в мозжечок его средних ножек. Группы листков, разделенные глубокими бороздами, образуют дольки мозжечка. Поскольку борозды мозжечка сплошные и переходят с червя на полушария, каждая долька червя связана с правой и левой стороны с дольками полушарий. На разрезе мозжечок состоит из серого и белого вещества. Серое вещество (кора мозжечка) находится на по-
верхности и тонким слоем (1—2,5 мм) покрывает белое вещество. Белое вещество находится внутри мозжечка.
У коры мозжечка три слоя: наружный — молекулярный, средний — ганглионарный (слой грушевидных нейронов) и внутренний — зернистый. В молекулярном и зернистом слоях залегают в основном мелкие нейроны. Крупные грушевидные нейроны (клетки Пуркинье), размерами до 40 мкм, располагаются в среднем слое в один ряд. Это эфферентные нейроны коры мозжечка. Их аксоны направляются к нейронам ядер мозжечка, а дендриты располагаются в поверхностном молекулярном слое. Остальные нейроны коры мозжечка являются вставочными, ассоциативными, которые передают импульсы грушевидным нейронам. В толще белого вещества мозжечка имеются скопления серого вещества — парные ядра. Самое крупное, зубчатое ядро расположено в пределах полушария мозжечка и получает сигналы от клеток Пуркинье новой коры мозжечка. Медиальнее зубчатого ядра лежит пробковидное, еще медиальнее — шаровидное, которые объединяют в промежуточное ядро мозжечка, получающее проекции от его старой коры. Наиболее медиально находится ядро шатра, связанное с клетками Пуркинье древней коры мозжечка.
Афферентные и эфферентные волокна, связывающие мозжечок с другими отделами мозга, образуют три пары мозжечковых ножек. Нижние ножки соединяют мозжечок с продолговатым мозгом, средние — с мостом, верхние — со средним мозгом.
К мозжечку направляются восходящие (чувствительные) проводящие пути, по которым идут импульсы от мышц, сухожилий, капсул суставов, связок (спинно-мозжечковые пути, а также волокна от чувствительных ядер тройничного нерва). В мозжечок приходят также импульсы от вестибулярных ядер, из коры полушарий большого мозга (через собственные ядра моста), а также из олив. Из мозжечка выходят пучки нервных волокон ко многим отделам ЦНС.
Имея обширные нервные связи с различными отделами мозга, мозжечок участвует в регуляции движений, делает их плавными, точными, целенаправленными.
При этом древняя кора и ядра шатра связаны с поддержанием равновесия; старая кора и промежуточные ядра — со сгибанием и разгибанием конечностей и локомоцией; новая кора и зубчатые ядра — с тонкими движениями кисти и пальцев. При повторении движений все эти зоны способны запо-
минать их параметры. В результате движения, исходно осуществляемые как произвольные и требующие контроля коры больших полушарий, превращаются в автоматизированные, идущие в основном под контролем мозжечка (двигательное обучение).
При повреждении мозжечка, выпадении его функции нарушается распределение тонуса мышц — сгибателей и разгибателей; движения становятся несоразмерными, резкими, размашистыми. Нарушается анализ сигналов от рецепторов мышц и сухожилий, страдают вегетативные функции органов сердечно-сосудистой системы, пищеварительных и других органов.
Выше и кпереди от заднего мозга (моста и мозжечка) на границе его со средним мозгом находится перешеек ромбовидного мозга, который образован верхними мозжечковыми ножками, верхним мозговым парусом и треугольником петли. Верхний мозговой парус представляет собой тонкую пластинку, расположенную между мозжечком сверху и верхними мозжечковыми ножками по бокам. Эти мозжечковые ножки вместе с парусом формируют передне-верхнюю часть крыши четвертого желудочка мозга. Треугольник петли ограничен спереди ручкой нижнего холмика, сверху и сзади — верхней мозжечковой ножкой, сбоку — латеральной бороздкой, имеющейся на наружной поверхности ножки мозга. В толще треугольника петли проходит проводящий путь органа слуха.
СРЕДНИЙ МОЗГ
Средний мозг занимает место выше моста и перешейка ромбовидного мозга. К среднему мозгу относятся ножки мозга, а также крыша среднего мозга.
Ножки мозга — это белые округлые, довольно толстые тяжи, выходящие из моста и направляющиеся вперед и вверх к полушариям большого мозга. Между ножками мозга снизу расположена межножковая ямка, на дне которой видно заднее продырявленное вещество. На медиальной поверхности каждой ножки выходит глазодвигательный нерв (III пара черепных нервов). Каждая ножка состоит из покрышки и основания, границей между ними является черное вещество (черная субстанция). Цвет этого вещества зависит от наличия пигмента меланина в его нервных клетках. Основание ножки мозга образовано нервными волокнами двигательных пира-
мидных путей, идущими от коры большого мозга к двигательным ядрам моста продолговатого и спинного мозга. Покрышка ножек мозга содержит восходящие (чувствительные) проводящие пути, направляющиеся к таламусу, а также скопления серого вещества — крупные и мелкие ядра. Самыми крупными являются красные ядра, от них начинается двигательный красноядерно-спинномозговой (руброспинальный) путь. Кроме того, в покрышке располагаются ретикулярная формация и ядро дорзального продольного пучка (промежуточное ядро).
В крыше среднего мозга различают пластинку крыши (четверохолмие), состоящую из четырех возвышений — холмиков. Два верхних холмика содержат подкорковые центры зрительного анализатора, а два нижних являются подкорковыми центрами слухового анализатора. В углублении между верхними холмиками лежит шишковидное тело, относящееся к промежуточному мозгу и являющееся железой внутренней секреции. От каждого холмика по сторонам к промежуточному мозгу отходят ручки. Ручка верхнего холмика направляется к латеральному коленчатому телу метаталамуса, ручка нижнего холмика идет к медиальному коленчатому телу.
Полостью среднего мозга является водопровод мозга — узкий канал, который соединяет третий и четвертый желудочки мозга. Сверху над водопроводом лежит пластинка крыши среднего мозга, дном служит покрышка ножек мозга. Длина водопровода около 1,5 см. Вокруг водопровода располагается центральное серое вещество, в котором заложены двигательные ядра III и IV пар черепных нервов, ретикулярная формация, непарное срединное (межножковое) ядро и ядро среднемозгового пути тройничного нерва.
Ядра III нерва располагаются под верхними холмиками четверохолмия; ядра IV нерва — под нижними холмиками. IV нерв является единственным черепным нервом, выходящим на задней поверхности мозга (под нижними холмиками).
Чувствительные, двигательные и вегетативные ядра среднего мозга участвуют в важнейших рефлекторных актах. Ядра верхних и нижних холмиков являются центрами запуска различного рода движений, возникающих под влиянием зрительных и слуховых импульсов. От ядер этих холмиков берет начало проводящий путь, заканчивающийся на клетках передних рогов спинного мозга.
К ядрам верхних холмиков приходят чувствительные импульсы от сетчатки глаза. Ответная (рефлекторная) реакция формируется в виде ориентировочного рефлекса — поворота
глаз и головы к свету. В зависимости от яркости света изменяются величина зрачка и кривизна хрусталика. Аккомодация (приспособляемость) глаза способствует ясному видению предметов. К ядрам нижних холмиков направляются чувствительные импульсы от органов слуха. Ответная реакция заключается в повороте головы, глаз в сторону звуков.
Красное ядро состоит из двух частей: передней — мелкоклеточной и задней — крупноклеточной. Передняя часть обеспечивает связи между корой больших полушарий, оливой и мозжечком, которые необходимы для реализации двигательного обучения. Задняя часть работает в основном под управлением промежуточного ядра мозжечка и связана с регуляцией мышечного тонуса и движений конечностей (сгибание). Именно отсюда начинается красноядерно-спинномозго- вой путь.
Черная субстанция состоит из латеральной (ретикулярной) и медиальной (компактной) частей. Нейроны компактной части содержат в качестве медиатора дофамин; их аксоны направляются вперед к базальным ядрам (ганглиям) больших полушарий. Ретикулярная часть участвует в управлении движениями глаз.
ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ МОЗГ
Промежуточный мозг расположен выше среднего мозга, под мозолистым телом. Он состоит из таламуса, эпиталамуса, метаталамуса, субталамуса и гипоталамуса.
Таламус (зрительный бугор) — парный, яйцевидной формы, образован главным образом серым веществом. Таламус является подкорковым центром видов общей чувствительности (болевой, температурной, тактильной). Медиальная и дорзальная поверхности таламуса свободны, поэтому хорошо видны на разрезе мозга. Передняя (нижняя) поверхность таламуса сращена с гипоталамусом, латеральная — прилежит к внутренней капсуле. Передний конец (передний бугорок) таламуса заострен, задний (подушка) закруглен. Медиальная поверхность правого и левого таламусов, обращенные друг к другу, образуют боковые стенки полости промежуточного мозга — третьего желудочка, они соединены между собой межталамическим сращением. Часть промежуточного мозга, расположенная ниже таламуса и отделенная от него гипоталамической бороздой, составляет субталамус. Сюда продолжаются
покрышки ножек мозга, здесь заканчиваются красные ядра и черное вещество среднего мозга.
Эпиталамус включает шишковидное тело, поводки и треугольники поводков. Шишковидное тело (эпифиз) является железой внутренней секреции. Он как бы подвешен на двух поводках, соединенных между собой спайкой, и связан с таламусом посредством треугольников поводков.
Метаталамус образован парными медиальным и латеральным коленчатыми телами, лежащими позади каждого таламуса. Медиальное коленчатое тело находится позади подушки таламуса, оно является наряду с нижними холмиками пластинки крыши среднего мозга (четверохолмия) подкорковым центром слухового анализатора. Латеральное коленчатое тело расположено книзу от подушки, оно вместе с верхними холмиками пластинки крыши является подкорковым центром зрительного анализатора.
Ядра коленчатых тел связаны проводящими путями с корковыми центрами зрительного и слухового анализаторов.
Гипоталамус, представляющий собой вентральную часть промежуточного мозга, располагается кпереди ножек мозга. Он включает ряд структур, которые имеют различное строение: сосцевидные тела, серый бугор, зрительный перекрест.
Сосцевидные тела располагаются кпереди от заднего продырявленного вещества среднего мозга и образованы серым веществом, покрытым тонким слоем белого вещества. Между сосцевидными телами сзади и зрительным перекрестом спереди находится серый бугор, который по бокам ограничен зрительными трактами. Серый бугор представляет собой тонкую пластинку серого вещества на дне третьего желудочка, которая вытянута книзу и кпереди и образует воронку. Конец воронки переходит в гипофиз — железу внутренней секреции, расположенную в гипофизарной ямке костного турецкого седла. Зрительный перекрест, находящийся впереди серого бугра, продолжается кпереди в зрительные нервы, кзади и ла- терально — в зрительные тракты, которые достигают правого и левого латеральных коленчатых тел.
В сером веществе гипоталамуса располагаются скопления нервных клеток. Эти скопления получили название ядер. В передней области гипоталамуса находятся супраоптическое ^надзрителъное^ и паравентрикулярное (околожелудочко- вое) ядра. В задней части гипоталамуса наиболее крупными ядрами являются медиальное и латеральное ядра в каждом сосцевидном теле, заднее гипоталамическое ядро. В сером
бугре и околобугристой области располагаются серобугорные ядра, ядро воронки и другие. Ядра гипоталамуса имеют сложную систему связей с другими отделами мозга и с гипофизом, через которые гипоталамус влияет на многие вегетативные функции организма. Гипоталамус является также центром регуляции эндокринных функций, он объединяет нервные и эндокринные регуляторные механизмы в общую нейроэндокринную систему, координирует нервные и гормональные механизмы функций внутренних органов.
В гипоталамусе имеются нейроны обычного типа и нейросекреторные клетки, они трансформируют нервный импульс в нейрогормональный. Гипоталамус образует с гипофизом единый функциональный комплекс — гипоталамо-гипофи- зарную систему, в которой гипоталамус играет регулирующую роль, а в гипофизе — эффекторную.
Таким образом, гипоталамус является связующим звеном между нервной системой и эндокринным аппаратом.
В среднем гипоталамусе залегают нейроны, которые воспринимают все изменения, происходящие в крови и спинномозговой жидкости (температуру, солевой состав, наличие гормонов). Задняя область гипоталамуса функционально связана с терморегуляцией и оборонительным поведением (латеральные и медиальные ядра сосцевидных тел, заднее гипоталамическое ядро). В других частях гипоталамуса расположены центры, связанные с половым, родительским, пищевым и другими типами поведения.
В нейронном отношении ядра гипоталамуса составляют переднюю (верхнюю) часть ретикулярной формации ствола мозга.
Третий желудочек — полость промежуточного мозга — представляет собой узкое, расположенное в сагиттальной плоскости щелевидное пространство, ограниченное с боков медиальными поверхностями таламусов. Нижнюю стенку третьего желудочка образует гипоталамус, спереди находятся столбы свода, передняя (белая) спайка, сзади — задняя (эпиталамическая) спайка. Верхнюю стенку желудочка составляет сосудистая основа третьего желудочка, в которой залегает его сосудистое сплетение. Над сосудистой основой располагается свод мозга, а над ним лежит мозолистое тело (большая спайка мозга). Полость третьего желудочка кзади переходит в водопровод среднего мозга, а спереди по бокам через межжелудочковые отверстия он сообщается с боковыми желудочками.
Крупнейшим чувствительным центром промежуточного мозга является таламус. К нему и далее через него к коре большого мозга идут все сенсорные проводящие пути, кроме обонятельных.
Вентральные латеральные ядра таламуса являются двигательными центрами, проводящими к коре сигналы от мозжечка (зубчатых ядер) и базальных ганглиев. Передние ядра таламуса связаны с системой памяти и эмоций. Подушка является зрительным центром. Медиальные ядра таламуса связаны с регуляцией уровня бодрствования. Дорзальные ядра — с функцией внимания («фильтрацией» сенсорных потоков).
При поражении таламуса появляются сильные головные боли, нарушается сон и усиливается или уменьшается общая чувствительность, движения становятся несоразмерными, не очень точными.
В гипоталамусе, являющемся высшим подкорковым центром вегетативной нервной системы, расположены ядра, обеспечивающие постоянство внутренней среды организма, регуляции белкового, углеводного, жирового и водно-солевого обмена, терморегуляции (теплового режима). В передних отделах гипоталамуса расположены парасимпатические центры, раздражение которых вызывает усиление моторики кишки, секреции желез органов пищеварения, замедление сокращений сердца. В задних отделах гипоталамуса находятся симпатические центры, при активации которых учащается и усиливается сердцебиение, суживаются кровеносные сосуды, повышается температура тела.
В промежуточном мозге и других отделах ствола мозга выделяют ретикулярную формацию — скопления нейронов (мелкие и крупные ядра) и отдельные нервные клетки с их многочисленными связями между собой и с другими нервными центрами головного и спинного мозга. Нервные импульсы, идущие к коре большого мозга по экстероцептивным (от внешних покровов тела), проприоцептивным (от органов опорно-двигательного аппарата) и интероцептивным (от внутренних органов, сосудов) проводящим путям, имеют в стволе мозга ответвления к клеткам ретикулярной формации. Эти импульсы поддерживают структуры ретикулярной формации в постоянном тоническом возбуждении. От нервных клеток ретикулярной формации к коре больших полушарий, подкорковым ядрам и в спинной мозг также идут проводящие пути. По этим неспецифическим проводящим путям ретикулярная
формация влияет на многие центры головного и спинного мозга, усиливая или тормозя их функции. На кору полушарий большого мозга ретикулярная формация оказывает активирующее действие, поддерживая ее в состоянии бодрствования. Кора в свою очередь регулирует функции, активность ретикулярной формации.
КОНЕЧНЫЙ МОЗГ
Конечный мозг (.большой мозг) состоит из правого и левого полушарий большого мозга и соединяющих их волокон, образующих мозолистое тело и другие спайки. Под мозолистым телом располагается свод в виде двух изогнутых тяжей, соединенных между собой спайкой в их средней части. Передняя часть свода, направленная вниз, образует столбы. Задняя уплощенная и расходящаяся в стороны часть получила название ножек свода. Кпереди от стволов свода находится поперечно расположенный пучок волокон — передняя (белая) спайка.
Впереди свода в сагиттальной плоскости располагается прозрачная перегородка, состоящая из двух параллельных пластинок серого вещества. Впереди и вверху эти пластинки соединяются с передней частью мозолистого тела. Между пластинками находится узкая щелевидная полость, содержащая небольшое количество жидкости. Каждая пластинка образует медиальную стенку переднего рога бокового желудочка.
Каждое полушарие большого мозга образовано серым и белым веществом. Периферическая часть полушария, покрытая бороздами и извилинами, образует плащ,, покрытый тонкой пластинкой серого вещества — корой большого мозга. Площадь поверхности коры составляет около 220 см2. Под корой больших полушарий находится белое вещество, в глубине которого имеются крупные скопления серого вещества — подкорковые ядра (базальные узлы). Полостями полушарий большого мозга являются боковые желудочки .
В каждом полушарии выделяют три поверхности — верх- нелатералъную (выпуклую), медиальную (плоскую), обращенную к соседнему полушарию, и нижнюю, имеющую сложный рельеф, соответствующий неровностям внутреннего основания черепа. На поверхностях полушарий видны многочисленные углубления — борозды и разнонаправленные возвышения между бороздами — извилины. Форма, размеры и ориентация
борозд и извилин имеют значительную индивидуальную вариабельность. В то же время наиболее крупные борозды и извилины отличаются постоянством своей ориентации. У каждого полушария выделяют пять долей: лобную, теменную, затылочную, височную и островковую (островок). Эти доли отделены друг от друга глубокими бороздами. Центральная борозда (Роландова) отделяет лобную долю от теменной, латеральная борозда (Сильвиева) — височную от лобной и теменной, теменно-затылочная борозда разделяет теменную и затылочную доли (рис. 2.8). В глубине латеральной борозды располагается островковая доля. Более мелкие борозды делят доли на извилины.
В лобной доле впереди и параллельно центральной борозде проходит прецентральная борозда, которая отделяет пре-
16
Рис. 2.8. Верхне-боковая поверхность полушария большого мозга: 1 — центральная борозда; 2 — прецентральная извилина; 3 — верхняя лобная извилина; 4 — средняя лобная извилина; 5 — нижняя лобная извилина; 6 — латеральная борозда; 7 — верхняя височная извилина; 3 — средняя височная извилина; 9 — нижняя височная извилина; 10 — мост; 11 — продолговатый мозг; 12 — мозжечок; 13— затылочная доля; 14— нижняя теменная долька; 15 — верхняя теменная долька; 16 — постцентральная извилина
центральную извилину. От прецентральной борозды более или менее горизонтально проходят вперед две борозды, разделяющие верхнюю, среднюю и нижнюю лобные извилины. В теменной доле постцентральная борозда отделяет одноименную извилину. Горизонтальная внутритеменная борозда разделяет верхнюю и нижнюю теменные дольки. В затылочной доле имеется несколько извилин и борозд, из которых наиболее постоянной является поперечная затылочная борозда. У височной доли две продольные борозды — верхняя и нижняя отделяют три височные извилины: верхнюю, среднюю и нижнюю. Островковая доля в глубине латеральной борозды отделена глубокой круговой бороздой островка от соседних отделов полушария.
В образовании медиальной поверхности полушария большого мозга принимают участие все доли его, кроме височной и островковой. Длинная дугообразной формы борозда мозолистого тела отделяет его от поясной извилины. Над поясной извилиной проходит поясная борозда, которая начинается кпереди и книзу от клюва мозолистого тела, поднимается вверх, поворачивается назад, вдоль борозды мозолистого тела. Кзади и книзу поясная извилина переходит в парагиппокампальную извилину, которая уходит вниз и впереди заканчивается крючком, сверху парагиппокампальная извилина ограничена бороздой гиппокампа. Поясную извилину, ее перешеек и парагиппокампальную извилину объединяют под названием сводчатой извилины. В глубине борозды гиппокампа расположена зубчатая извилина и собственно гиппокамп.
Вверху на медиальной поверхности затылочной доли расположена теменно-затылочная борозда, отделяющая теменную долю от затылочной доли. От заднего полюса полушария до перешейка сводчатой извилины проходит шпорная борозда. Между теменно-затылочной бороздой спереди и шпорной снизу располагается клин, обращенный острым углом кпереди.
Нижняя поверхность полушария большого мозга имеет наиболее сложный рельеф. Спереди расположена нижняя поверхность лобной доли, позади нее — височный (передний) полюс и нижняя поверхность височной и затылочной долей, между которыми нет четкой границы. На нижней поверхности лобной доли параллельно продольной щели проходит обонятельная борозда, к которой снизу прилежит обонятельная луковица и обонятельный тракт, продолжающийся кзади в обонятельный треугольник. Между продольной щелью и обо-
нательной бороздой расположена прямая извилина. Лате- ральнее от обонятельной борозды лежат глазничные (орбитальные) извилины. На нижней поверхности височной доли коллатеральная борозда отделяет медиальную затылочно-височную извилину от парагиппокампальной. Затылочно-височная борозда отделяет латеральную затылочно-височную извилину от одноименной медиальной извилины.
На медиальной и нижней поверхностях выделяют ряд образований, относящихся к лимбической системе. Это обонятельная луковица, обонятельный тракт, обонятельный треугольник, переднее продырявленное вещество, расположенные на нижней поверхности лобной доли и относящиеся также к периферическому отделу обонятельного мозга поясная, парагиппокампальная (вместе с крючком) и зубчатая извилины, гиппокамп.
Кора образована серым веществом, которое лежит по периферии (по поверхности) полушарий большого мозга. Толщина коры в различных участках полушарий колеблется от 1,3 до 5 мм. Строение и взаиморасположение нейронов в различных участках коры неодинаково, что определяет цитоархитектонику коры. Клетки более или менее одинаковой структуры располагаются в виде отдельных слоев (пластинок).
Тела нейронов образуют шесть слоев. Толщина слоев, характер их границ, размеры клеток, их количество в различных отделах новой коры варьируют. Снаружи расположен молекулярный слой, в нем залегают мелкие мультиполярные ассоциативные нейроны и множество волокон — отростков нейронов нижележащих слоев. Второй слой — наружный зернистый — образован множеством мелких мультиполярных нейронов. Третий слой — самый широкий, наружный пирамидный слой, содержит нейроны пирамидной формы, тела которых увеличиваются в направлении сверху вниз. Четвертый слой — внутренний зернистый, образован мелкими нейронами звездчатой формы. В пятом слое — внутреннем пирамидном, который наиболее хорошо развит в прецентральной извилине, залегают крупные пирамидной формы клетки, до 125 мкм величиной. В шестом слое — полиморфном расположены нейроны различной формы и размеров. Количество нейронов в коре достигает 12—18 млрд.
В каждом клеточном слое, помимо нервных клеток, располагаются нервные волокна, приходящие из таламуса, а также соединяющие корковые зоны между собой. Строение и плотность их залегания также неодинаковы в различных отделах
коры. Особенности распределения волокон в коре большого мозга определяют термином » миелоархитек тоника».
В толще белого вещества каждого полушария большого мозга ближе к основанию располагаются скопления серого вещества, образующего отдельно лежащие базальные ядра (рис. 2.9). К базальным, подкорковым ядрам, или узлам, относятся полосатое тело, состоящее из хвостатого и чечевицеобразного ядер, ограда и миндалевидное тело.
Хвостатое ядро располагается латеральнее и выше от таламуса, отделено от него пограничной (терминальной) полоской. Ядро имеет головку, образующую латеральную стенку переднего рога бокового желудочка; тело, лежащее под теменной долей; и хвост, участвующий в образовании крыши нижнего рога бокового желудочка. Чечевицеобразное ядро
Рис. 2.9. Горизонтальный разрез головного мозга. Базальные ядра: 1 — кора большого мозга (плащ); 2 — колено мозолистого тела; 3 — передний рог бокового желудочка; 4 — внутренняя капсула; 5 — наружная капсула; 6 — ограда; 7 — самая наружная капсула; 8 — скорлупа; 9 — бледный шар; 10— третий желудочек; 11 — задний рог бокового желудочка; 12 — таламус; 13— корковое вещество (кора) островка; 14 — головка хвостатого ядра; 15 — полость прозрачной перегородки
расположено латеральнее хвостатого. У чечевицеобразного ядра выделяют внутреннюю его часть — бледный шар и наружную — скорлупу. Эти ядра (как и хвостатое) являются подкорковыми двигательными центрами. Между хвостатым ядром и таламусом медиально и чечевицеобразным ядром ла- терально располагается прослойка белого вещества — внутренняя капсула. Эта капсула образована основными восходящими и нисходящими проводящими путями головного мозга, соединяющими кору полушарий большого мозга со стволом и спинным мозгом. Латеральнее от чечевицеобразного ядра находится узкая полоска белого вещества — наружная капсула, а за ней лежит тонкое ядро — ограда. Таким образом, ограда расположена в белом веществе полушария латеральнее чечевицеобразного ядра, между ним и корой островка. От коры островка ограда отделена прослойкой белого вещества, получившей название самой наружной капсулы. Миндалевидное тело (миндалина) залегает в белом веществе передней части височной доли полушария, на 1,5—2 см кзади от ее височного полюса.
К белому веществу полушарий относятся наружная и самая наружная капсулы, разделяющие базальные узлы друг от друга, волоконные структуры между корой и базальными узлами, а также мозолистое тело, передняя спайка, свод и спайка свода, в которых проходят системы нервных волокон, соединяющих участки коры и подкорковые центры как в пределах одной половины мозга, так и центры правого и левого полушарий большого мозга.
Мозолистое тело образовано поперечно ориентированными волокнами (комиссуральными), соединяющими правое и левое полушария. У мозолистого тела выделяют переднюю его часть — колено, которое, истончаясь, переходит в клюв, продолжающийся книзу в терминальную (пограничную) пластинку. Сзади мозолистое тело утолщено, образует валик. Под мозолистым телом располагается свод, также состоящий из белого вещества. Свод представляет собой аксоны нейронов гиппокампа и имеет форму двух продольных плоских дуг, соединенных в средней их части поперечными волокнами (спайкой свода). Передняя часть свода поворачивает вниз, продолжается в округлые валики — столбы свода, которые уходят в гипоталамус и заканчиваются в сосцевидных телах. Сзади свод переходит в ножки свода, которые расходятся в стороны и опускаются вниз. Каждая ножка продолжается в бахромку, которая достигает нижнего рога бокового желудочка, где при-
соединяется к гиппокампу. Между нижней поверхностью колена и клюва мозолистого тела и столбами свода в сагиттальной плоскости расположены две пластинки прозрачной перегородки, ограничивающие по бокам ее узкую полость. Под средней частью свода, его телом находится третий желудочек — полость промежуточного мозга.
Полостями полушарий большого мозга являются боковые желудочки (первый и второй), расположенные в толще белого вещества под мозолистым телом. Каждый желудочек состоит из четырех частей соответственно четырем основным долям полушария большого мозга. Передний рог залегает в лобной доле, центральная часть — в теменной, задний рог — в затылочной и нижний рог — в височной доле. Передние рога обоих желудочков отделены друг от друга двумя пластинками прозрачной перегородки. Центральная часть бокового желудочка огибает сверху таламус и переходит кзади в задний рог, а книзу — в нижний рог. Медиальной стенкой нижнего рога является гиппокамп, соответствующий глубокой одноименной борозде на медиальной поверхности полушария. С медиальной стороны к гиппокампу прилежит бахромка, являющаяся началом ножки свода. На медиальной стенке заднего рога бокового желудочка мозга имеется выпячивание — птичья шпора, соответствующая шпорной борозде на медиальной поверхности полушария. В центральную часть и нижний рог бокового желудочка вдается сосудистое сплетение, которое через межжелудочковое отверстие соединяется с сосудистым сплетением третьего желудочка.
ПРОВОДЯЩИЕ ПУТИ
ГОЛОВНОГО И СПИННОГО МОЗГА
В нервной системе нейроны образуют между собой синапсы, формируют цепи и сети, по которым нервные импульсы распространяются только в определенных направлениях. От рецепторных (чувствительных) нейронов через вставочные нервные клетки импульсы следуют к эффекторным нейронам. В синапсах импульсы проводятся только в одном направлении — от пресинаптической мембраны к постсинаптической.
По одним цепям нейронов импульс распространяется центростремительно — от места его возникновения в коже, слизистых оболочках, органах движения, сосудах, тканях и органах к спинному или головному мозгу.
По другим цепям нейронов импульсы проводятся центробежно — из мозга на периферию, к рабочим органам: мышцам, железам, тканям. Нервные волокна, несущие импульсы из спинного мозга в головной мозг или в обратном направлении, складываются в пучки, образующие проводящие пути. Проводящие пути — это совокупность тесно расположенных нервных волокон, проходящих в определенных зонах белого вещества головного, спинного мозга, соединяющих различные нервные центры и проводящих одинаковые нервные импульсы.
В спинном и головном мозге выделяют три группы нервных волокон (проводящих путей): ассоциативные, комиссуральные и проекционные.
Ассоциативные нервные волокна (короткие и длинные проводящие пути) соединяют между собой нервные центры, расположенные в одной половине мозга. Короткие (внутридо- левые) соединяют близлежащие участки серого вещества и располагаются в пределах одной доли (отдела) головного мозга или соседних сегментов спинного мозга. Длинные (междолевые) ассоциативные пучки соединяют между собой участки серого вещества, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, обычно в различных долях (отделах) головного мозга или сегментах спинного мозга. К длинным ассоциативным путям больших полушарий относятся верхний продольный пучок, соединяющий кору лобной доли с теменной и затылочной, нижний продольный пучок, связывающий серое вещество височной доли с затылочной, и крючковидный пучок, соединяющий кору в области лобного полюса с передней частью височной доли.
В спинном мозге ассоциативные волокна образуют собственные пучки спинного мозга (межсегментарные пучки), которые располагаются вблизи серого вещества.
Комиссуральные (спаечные) нервные волокна (проводящие пути) соединяют одинаковые нервные центры правого и левого полушарий большого мозга. Комиссуральные проводящие пути проходят через мозолистое тело, спайку свода, переднюю спайку. Мозолистое тело соединяет между собой новые, более молодые отделы коры большого мозга правого и левого полушарий, в которых волокна расходятся веерообразно, образуя лучистость мозолистого тела. В передней спайке проходят волокна, соединяющие участки коры височных долей обоих полушарий, принадлежащие обонятельному (более древнему) мозгу.
Проекционные нервные волокна (проводящие пути) соединяют спинной мозг с головным, ядра мозгового ствола с базальными ядрами и корой большого мозга (восходящие пути), а также головной мозг со спинным (нисходящие пути).
Восходящие проекционные пути (проводящие пути), афферентные, чувствительные, проводят к коре большого мозга нервные импульсы, возникающие в результате воздействия на организм различных факторов внешней среды, включая импульсы, идущие от органов чувств, опорно-двигательного аппарата, внутренних органов и сосудов. В зависимости от этого восходящие проекционные пути делятся на три группы: экс- тероцептивные, проприоцептивные, интероцептивные.
Экстероцептивные пути несут болевые, температурные, тактильные импульсы от кожного покрова, от органов чувств (зрения, слуха, вкуса, обоняния).
Проводящий путь болевой и температурной чувствительности (латеральный спинно-таламический путь) состоит из трех нейронов. Рецепторы первого (чувствительного) нейрона, воспринимающие указанные раздражения, располагаются в коже и слизистых оболочках, а его тело лежит в спинномозговом узле. Центральный отросток чувствительного нейрона в составе заднего корешка направляется в задний рог спинного мозга и заканчивается синапсами на клетках второго нейрона. Аксоны вторых нейронов, тела которых лежат в заднем роге, через переднюю спайку переходят на противоположную сторону спинного мозга, входят в боковой канатик, образуя латеральный спинно-таламический путь. Этот путь поднимается в продолговатый мозг, проходит в покрышке моста, покрышке среднего мозга и заканчивается в таламусе (вентральное заднее ядро и медиальные ядра). Аксоны клеток таламуса (III нейрон) направляются к внутренней зернистой пластинке коры (IV слой) постцентральной извилины, где находится корковый конец анализатора общей чувствительности.
Проводящий путь осязания и давления (передний спинно-таламический путь) несет импульсы от рецепторов кожи к клеткам коры постцентральной извилины. Ход волокон первого нейрона этого пути аналогичен предыдущему. Большинство аксонов второго нейрона также переходят через переднюю спайку на противоположную сторону спинного мозга в передний канатик и в его составе следуют вверх, к таламусу, а затем в постцентральную извилину. Часть волокон второго нейрона идет в составе заднего канатика спинного мозга своей
стороны вместе с аксонами проводящего пути проприоцептивной чувствительности коркового направления.
Проприоцептивные пути проводят импульсы от органов опорно-двигательного аппарата (от мышц, сухожилий, капсул суставов, связок). К коре постцентральной извилины этот путь несет информацию о положении частей тела, объеме движений, мышечном тонусе, натяжении сухожилий. Проприоцептивная чувствительность позволяет человеку оценивать положение частей своего тела в пространстве, анализировать собственные сложные движения и дает возможность проводить целенаправленную их коррекцию. Тела первого нейрона этого пути также лежат в спинномозговом узле. Их аксоны в составе задних корешков спинномозговых нервов, не входя в задний рог, направляются в задний канатик, где образуют тонкий и клиновидный пучки. Нервные волокна следуют вверх в продолговатый мозг к тонкому и клиновидному ядрам. Аксоны вторых нейронов, выходящие из этих ядер, переходят на противоположную сторону, образуя медиальную петлю, проходят через покрышку моста и покрышку среднего мозга и заканчиваются в таламусе синапсами на телах третьих нейронов (передняя часть вентрального заднего ядра). Аксоны нейронов таламуса направляются в кору, расположенную перед постцентральной извилиной в глубине центральной борозды, к нейронам IV слоя. Часть волокон вторых нейронов по выходе из тонкого и клиновидного ядер направляется через нижнюю мозжечковую ножку в кору червя своей стороны. Другая часть волокон переходит на противоположную сторону и также через нижнюю мозжечковую ножку направляется к коре червя противоположной стороны. Эти волокна несут проприоцептивные импульсы к мозжечку для коррекции подсознательных движений опорно-двигательного аппарата. Имеются также проприоцептивные передний и задний спинно-мозжечковые пути, которые несут в мозжечок информацию о состоянии опорно-двигательного аппарата и двигательных центров спинного мозга.
Интероцептивные пути проводят импульсы от внутренних органов и сосудов. Расположенные в них рецепторы (механо-, баро-, хемо-) воспринимают информацию о состоянии гомеостаза, интенсивности обменных процессов, химическом составе тканевой жидкости, крови, давлении в сосудах и т. д.
Нисходящие проводящие пути несут импульсы от коры большого мозга и подкорковых центров к ядрам мозгового ствола и к двигательным и промежуточным ядрам передних
рогов спинного мозга. Нисходящие пути подразделяются на две группы: пирамидные (главный двигательный путь) и экс- трапирамидные.
Главный двигательный, или пирамидный, путь представляет собой систему нервных волокон, по которым произвольные двигательные импульсы от гигантских нейронов (пирамидных клеток Беца), расположенных в коре прецентральной извилины (V слой), направляются к двигательным ядрам черепных нервов и серому веществу спинного мозга. Здесь происходит синаптическое переключение и далее сигнал направляется к скелетным мышцам. В зависимости от направления и расположения волокон пирамидный путь подразделяют на три части. Это корково-ядерный путь, идущий к ядрам черепных нервов, латеральный и передний корково-спинномозговые пути, идущие к промежуточным ядрам и передним рогам спинного мозга (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Схема пирамидных путей: 1 — прецентральная извилина; 2 — таламус; 3 — корково-ядерный путь; 4 — поперечный разрез среднего мозга; 5 — поперечный разрез моста; 6 — поперечный разрез продолговатого мозга; 7 — перекрест пирамид; 8 — латеральный корково-спинномозговой путь; 9 — поперечный разрез спинного мозга; 10 — передний корково-спинномозговой путь; —> — направление движения нервных импульсов
Корково-ядерный путь проходит через колено внутренней капсулы и основание ножки мозга. В среднем мозге, мосту, продолговатом мозге волокна корково-ядерного пути переходят на противоположную сторону к двигательным ядрам черепных нервов, где заканчиваются синапсами на их нейронах. Аксоны нейронов двигательных ядер выходят из мозга в составе соответствующих черепных нервов и направляются к скелетным мышцам головы и шеи.
Латеральный и передний корково-спинномозговые пути проходят через переднюю часть задней ножки внутренней капсулы, затем через основание ножки мозга и моста переходят в продолговатый мозг, где образуют пирамиды. На границе продолговатого мозга со спинным мозгом основная часть волокон корково-спинномозгового пути переходит на противоположную сторону, продолжается в боковой канатик спинного мозга (латеральный корково-спинномозговой путь) и постепенно заканчивается синапсами на двигательных и промежуточных клетках серого вещества. Другие волокна коркового спинномозгового пути, не переходящие на противоположную сторону на границе продолговатого мозга со спинным, спускаются вниз в составе переднего канатика спинного мозга. Этот пучок волокон образует передний корково-спинномозговой путь. Его волокна посегментно переходят через белую спайку и заканчиваются синапсами на нейронах противоположной стороны спинного мозга. Аксоны двигательных клеток передних рогов выходят из спинного мозга в составе передних корешков и иннервируют скелетные мышцы.
Экстрапирамидные проводящие пути являются филогенетически более старыми, чем пирамидные. Они имеют множество связей как со стволом мозга, так и с корой большого мозга, которая контролирует и управляет экстрапирамидной системой. Экстрапирамидные проводящие пути берут начало в разных отделах коры полушарий большого мозга и ствола мозга, а заканчиваются они на клетках двигательных ядер мозгового ствола и серого вещества спинного мозга. Влияние коры большого мозга на экстрапирамидную систему и экстрапирамидные проводящие пути осуществляется через мозжечок, красные ядра, ретикулярную формацию, вестибулярные ядра. Одной из функций красного ядра является поддержание мышечного тонуса, необходимого для непроизвольного сохранения позы, а также сгибание конечностей при локомоции. От красных ядер нервные импульсы направляются в двигатель-
ные ядра спинного мозга по красноядерно-спинномозговому (руброспинальному) проводящему пути.
В осуществлении координации движений тела человека при нарушении равновесия важную роль играет преддверноспинномозговой (вестибулоспинальный) путь, который связывает вестибулярные ядра с передними рогами спинного мозга. Кроме того, вестибулярные ядра связаны посредством заднего продольного пучка с двигательными ядрами III, IV, VI и других пар черепных нервов. Такая связь обеспечивает корректирующие движения глазных яблок при движениях головы и шеи. Аксоны первых нейронов преддверно-спинномозгового пути опускаются в составе переднего канатика спинного мозга. Вестибулярные ядра и активность связанных с ними путей находятся под контролем древней части мозжечка (ядро шатра).
Кора большого мозга осуществляет управление функциями мозжечка, участвующего в координации движений, через мост по кортико-мосто-мозжечковому пути, переключение сигналов идет через собственные ядра моста.
Таким образом, проводящие пути головного и спинного мозга устанавливают связи между афферентными и эфферентными (эффекторными) центрами, замыкают сложные нервные дуги в мозге человека.
Одни из них замыкаются на филогенетически более старых ядрах, лежащих в мозговом стволе и обеспечивающих функции, обладающие определенным автоматизмом, без участия сознания, хотя и под контролем полушарий большого мозга. Другие замыкаются с участием высших отделов коры большого мозга и обеспечивают произвольные действия органов и систем органов. Проводящие пути объединяют организм в функциональную целостность, обеспечивают согласованную деятельность всех его компонентов.
ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ
В КОРЕ ПОЛУШАРИЙ БОЛЬШОГО МОЗГА
В коре большого мозга происходит анализ всех раздражений, которые поступают по проводящим путям из окружающей внешней и из внутренней среды. Наибольшее число афферентных импульсов поступает через ядра таламуса к клеткам III и IV слоев коры большого мозга. В коре большого мозга
располагаются центры, регулирующие выполнение определенных функций.
В коре центральной борозды, постцентральной извилины и верхней теменной дольки залегают ядра коркового конца анализаторов проприоцептивной и общей чувствительности (температурной, болевой, осязательной) противоположной половины тела. При этом ближе к продольной щели мозга расположены области нижних конечностей и нижних отделов туловища, а наиболее близко к латеральной борозде проецируются рецепторные поля головы, языка, губ.
Двигательная область коры находится главным образом в прецентральной извилине и парацентральной дольке на медиальной поверхности полушария. В верхних участках прецентральной извилины расположены центры мышц нижних конечностей и самих нижних отделов туловища. В нижней части этой извилины у латеральной борозды находятся центры, регулирующие деятельность мышц лица и языка. Двигательные области каждого из полушарий связаны со скелетными мышцами противоположной стороны тела. При этом величина проекционных зон зависит не от размера органов или частей тела, а от их функционального значения.
На обращенной к островку поверхности средней части верхней височной извилины находится центр слухового анализатора. Центр зрительного анализатора располагается на медиальной поверхности затылочной доли полушария большого мозга по обеим сторонам шпорной борозды. К каждому из полушарий подходят проводящие пути от рецепторов органа слуха и органа зрения как левой, так и правой сторон.
Корковый конец обонятельного анализатора находится в коре крючка и передней части парагиппокампальной извилины (древняя кора).
Вкусовой центр коры находится в островной области и контактирует с зоной, анализирующей тактильную чувствительность полости рта.
Двигательный центр устной и письменной речи (артикуляция, произнесение и написание слов и предложений) находится в коре задне-нижних отделов лобной доли, возле общего двигательного центра (зона Брока).
Анализаторы восприятия слуховых и зрительных образов речи (понимание слов чужой речи, словесного обозначения предметов и действий, узнавание букв, слов и их назначения, контроль за собственной устной и письменной речью) расположены рядом с корковыми зонами слуха и зрения. Сле-
дует особо отметить, что речевые анализаторы у правшей находятся преимущественно в левом полушарии большого мозга, а у левшей — в правом полушарии.
Нервные клетки ассоциативных зон, которые также выделяют в коре полушарий большого мозга, не имеют прямых связей ни с органами чувств, ни с мышцами. Ассоциативные зоны выполняют связующие функции, они соединяют друг с другом различные области коры, объединяют поступающие в кору различного рода импульсы, формируют целостные поведенческие акты, логическое мышление, память (понимание прочитанного или устной речи, узнавание предметов и их назначение). При повреждении таких ассоциативных зон восприятие света или звука сохраняется, однако узнавание световых образов или звуковых ассоциаций нарушается. Человек может видеть буквы и не понимать, что они обозначают, слышит речь и не воспринимает значения слов. При нарушении ассоциативных зон коры большого мозга возможна потеря речи. Человек способен понимать речь, но сам говорить не может, разучивается писать, не может выполнять заученные движения написания букв, слов, не может выполнять другие, ранее привычные движения (застегивать пуговицы, зажигать спички). Основные ассоциативные области коры больших полушарий — это теменная (задняя и нижняя части теменной доли), лобная (лобная доля, кроме двигательной зоны) и лимбическая (поясная извилина). Каждая из них особенно важна соответственно для высших сенсорных функций (построение целостных сенсорных образов) и речи; высших двигательных функций, выбора и запуска поведенческих программ; памяти и эмоциональных составляющих поведения.
Значение правого и левого полушарий в выполнении различных функций неодинаково. У правшей левое полушарие большого мозга играет большую роль в двигательных функциях, поскольку мышцы правой стороны тела иннервируются из левого полушария. Чувствительные импульсы из правой половины тела также поступают в левую половину полушария. В левом полушарии мозга у правшей находятся более развитые центры устной и письменной речи, словесного логического мышления. Правое полушарие обеспечивает конкретное, образное мышление, художественные способности. В правом полушарии лучше развиты чувствительные центры.
В то же время кора полушарий большого мозга, функционируя как единое целое, осуществляет процессы обработки чувствительной информации, формирует двигательные ко-
манды. Кора обеспечивает индивидуальное приспособление человека к изменяющимся условиям внутренней и окружающей (внешней) среды. Благодаря гибкой приспособляемости к постоянно изменяющейся обстановке организм человека сохраняет жизнеспособность и жизнедеятельность.
ЧЕРЕПНЫЕ НЕРВЫ
Периферическая нервная система образована нервными узлами (спинномозговыми, черепными и вегетативными), нервами (31 пара спинномозговых и 12 пар черепных) и нервными окончаниями, рецепторами (чувствительными) и эффекторами. Каждый нерв состоит из нервных волокон, миелинизированных и немиелинизированных. Снаружи нерв окружен соединительнотканной оболочкой — эпиневрием, в который входят питающие нерв кровеносные сосуды. Нерв состоит из пучков нервных волокон, которые, в свою очередь, покрыты периневрием, а отдельные волокна — эндоневрием.
В зависимости от расположения, происхождения нервов и связанных с ними нервных узлов выделяют черепные и спинномозговые нервы.
Черепные нервы в количестве 12 пар отходят от ствола головного мозга. Все черепные нервы имеют собственные названия и порядковый номер, обозначаемый римской цифрой:
I — обонятельный нерв, II — зрительный, III — глазодвигательный, IV — блоковой, V — тройничный, VI — отводящий, VII — лицевой, VIII — преддверно-улитковый, IX — языкоглоточный, X — блуждающий, XI — добавочный, XII — подъязычный.
По особенностям строения и составу волокон выделяют три группы черепных нервов: чувствительные, двигательные, смешанные. К чувствительным нервам относятся обонятельный (I пара черепных нервов), зрительный (II пара), преддверно-улитковый (VIII пара) черепные нервы.
Обонятельные нервы (I пара черепных нервов) состоят из центральных отростков чувствительных (рецепторных) клеток, располагающихся в слизистой оболочке обонятельной области полости носа. Обонятельные нервы в количестве 15— 20 нервов проходят в полость черепа через отверстия решетчатой пластинки верхней стенки полости носа. В полости черепа волокна обонятельных нервов вступают в обонятельные луковицы и заканчиваются в них на клетках вторых нейронов. Из
обонятельных луковиц обонятельные нервные импульсы по волокнам обонятельных трактов и других структур обонятельного мозга направляются в полушария большого мозга.
Зрительные нервы (II пара черепных нервов) образованы отростками клеток сетчатой оболочки глаза. Войдя в полость черепа, правый и левый зрительные нервы впереди турецкого седла частично перекрещиваются и продолжаются в зрительные тракты. Зрительные тракты направляются к латеральным коленчатым телам, верхним бугоркам пластинки четверохолмия среднего мозга и подушке (задней части) таламуса, которые являются подкорковыми зрительными центрами.
Преддверно-улитковый нерв (VIII пара черепных нервов) образован центральными отростками биполярных нейронов, залегающих в преддверном и улитковом узлах. Периферические отростки этих клеток преддверного и улиткового узлов формируют пучки, заканчивающиеся рецепторами соответственно в вестибулярной части перепончатого лабиринта внутреннего уха и в спиральном органе улиткового протока. Центральные отростки направляются в мозг к ядрам, расположенным в покрышке моста у границы с продолговатым мозгом.
Двигательными черепными нервами являются глазодвигательный нерв (III пара), блоковый (IV пара), отводящий (VI пара), добавочный (XI пара), подъязычный (XII пара) нервы.
Глазодвигательный нерв (III пара черепных нервов) в своем составе имеет двигательные и парасимпатические волокна, выходящие из двигательного и вегетативного (добавочного) ядра, расположенных в среднем мозге. В глазницу нерв проходит через верхнюю глазничную щель. Двигательные волокна направляются к мышцам глазного яблока — верхней, нижней и медиальной прямым; нижней косой, а также к мышце, поднимающей верхнее веко. Парасимпатические волокна идут к ресничному узлу, а волокна этого узла — к мышце, суживающей зрачок, и к ресничной мышце.
Блоковой нерв (IV пара черепных нервов) начинается от двигательного ядра, лежащего также в среднем мозге на уровне нижних холмиков. Нерв проходит в глазницу через верхнюю глазничную щель и направляется к верхней косой мышце глаза.
Отводящий нерв (VI пара черепных нервов) образован отростками двигательных клеток ядра, расположенного в покрышке моста. Нерв идет в глазницу через верхнюю глазничную щель, он иннервирует латеральную (отводящую) мышцу глаза.
Добавочный нерв (XI пара черепных нервов) образуется из нескольких двигательных корешков, выходящих из ядер, лежащих в продолговатом мозге и в верхних сегментах спинного мозга. Нерв выходит из черепа через яремное отверстие (вместе с языкоглоточным и блуждающим нервами) и иннервирует грудино-ключично-сосцевидную и трапециевидную мышцы.
Подъязычный нерв (XII пара черепных нервов) имеет двигательное ядро в продолговатом мозге. Отростки клеток этого ядра образуют нерв, который выходит из полости черепа через канал подъязычного нерва и иннервирует мышцы языка.
Смешанными черепными нервами являются тройничный, лицевой, языкоглоточный и блуждающий нервы.
Тройничный нерв (V пара черепных нервов) имеет два корешка — чувствительный и двигательный. Чувствительный корешок (кожная, болевая и мышечная чувствительность) образован центральными отростками клеток, находящимися в узле тройничного нерва, расположенного у вершины пирамиды височной кости. В составе двигательного корешка идут отростки клеток двигательного ядра тройничного нерва.
Тройничной нерв образует три крупные ветви: первую, вторую и третью. Первая и вторая ветви — чувствительные, они содержат периферические отростки клеток узла тройничного нерва. Третья ветвь состоит из чувствительных и двигательных волокон.
Первая ветвь — глазной нерв через верхнюю глазничную щель проходит в глазницу, где делится на три ветви — слезный, лобный и носо-ресничный нервы. Ветви этих нервов иннервируют глазное яблоко, верхнее веко, слизистую оболочку передней части полости носа и придаточных пазух (лобной, клиновидной и ячеек решетчатой кости), а также кожу лба.
Вторая ветвь — верхнечелюстной нерв проходит через круглое отверстие в крыловидно-небную ямку, где он отдает подглазничные скуловые нервы и узловые ветви. Верхнечелюстной нерв своими ветвями иннервирует слизистую оболочку полости носа, твердого и мягкого нёба, придаточных пазух носа (верхнечелюстной и ячеек решетчатой кости), кожу скуловой области и нижнего века, носа и верхней губы, зубы верхней челюсти, твердую оболочку головного мозга в области средней черепной ямки. Узловые ветви верхнечелюстного нерва идут к парасимпатическому крылонёбному узлу. Отростки клеток этого узла в составе ветвей верхнечелюстного нерва
идут к железам слизистой оболочки полости носа и полости рта, а также к слезной железе.
Третья ветвь — нижнечелюстной нерв — смешанный, выходит через овальное отверстие из полости черепа и разделяется на ушно-височный, щечный, язычный и нижний альвеолярный нервы. Он снабжает твердую оболочку головного мозга в средней черепной ямке, отдает мышечные ветви к жевательным мышцам (височной, медиальной и латеральной крыловидным и собственным жевательным), к челюстноподъязычной, переднему брюшку двубрюшной мышцы, к мышце, натягивающей мягкое нёбо, и мышце, напрягающей барабанную перепонку. Ушно-височный нерв иннервирует кожу височной области, ушной раковины и наружного слухового прохода. В составе этого нерва проходят парасимпатические волокна (из языкоглоточного нерва), направляющиеся к околоушной слюнной железе. Щечный нерв иннервирует слизистую оболочку щеки, язычный — передние две трети языка. Язычный нерв содержит вкусовые волокна, заканчивающиеся на вкусовых рецепторах языка, и парасимпатические волокна (из лицевого нерва). Парасимпатические волокна идут к поднижнечелюстному и подъязычному узлам, откуда иннервируются одноименные слюнные железы.
Нижний альвеолярный нерв уходит в канал нижней челюсти, отдает веточки к нижним зубам и деснам, затем через подбородочное отверстие выходит к коже подбородка.
Лицевой нерв (VII пара черепных нервов), смешанный, содержит двигательные, чувствительные и вегетативные (парасимпатические) волокна. Двигательные волокна являются отростками одноименного ядра лицевого нерва, расположенного в покрышке моста. Тела чувствительных клеток находятся в узле коленца, который лежит в глубине канала лицевого нерва в пирамиде височной кости. Центральные отростки этих клеток заканчиваются на клетках чувствительного ядра, также расположенного в покрышке моста. Парасимпатические волокна являются аксонами клеток вегетативного ядра, лежащего медиальнее чувствительного ядра. Лицевой нерв, выйдя из мозга, направляется во внутренний слуховой проход, где берет начало канал этого нерва. В канале от лицевого нерва отходит большой каменистый нерв, выходящий через одноименное отверстие на верхушке пирамиды и несущий парасимпатические волокна к крылонёбному узлу (управление слезной железой). Стременной нерв отходит к одноименной мышце, расположенной в барабанной полости. Барабанная струна, несущая вкусовые волокна от передних 2/3 языка и
парасимпатические для иннервации подчелюстной и подъязычной слюнных желез, проходит транзитом (не отдавая ветвей) через барабанную полость. По выходе из барабанной полости струна присоединяется к язычному нерву. Лицевой нерв, выйдя из своего канала через шилососцевидное отверстие, отдает ветви к заднему брюшку надчерепной мышцы, ушным мышцам, затем проходит через околоушную слюнную железу и уходит своими конечными ветвями к мимическим мышцам, в том числе к подкожной мышце шеи.
Языкоглоточный нерв (IX пара черепных нервов) — смешанный, содержит двигательные, чувствительные и парасимпатические волокна. Из полости черепа нерв выходит через яремное отверстие. Двигательные волокна являются отростками клеток двойного ядра (общего с блуждающим нервом), иннервирующих мышцы глотки. Чувствительные волокна, являющиеся отростками клеток, образующих верхний и нижний узлы этого нерва, направляются к слизистой оболочке задней стенки глотки и задней трети языка, осуществляя в том числе и вкусовую иннервацию. Парасимпатические волокна, выходящие из нижнего слюноотделительного ядра, направляются к околоушной слюнной железе.
Блуждающий нерв (X пара черепных нервов), также содержащий двигательные, чувствительные и парасимпатические волокна, выходит из полости черепа через яремное отверстие вместе с языкоглоточным и добавочным нервами и с внутренней яремной веной. Двигательные волокна, выходящие из общего с языкоглоточным нервом добавочного ядра, иннервируют мышцы мягкого нёба, глотки, гортани и голосовых связок. Чувствительные волокна являются отростками клеток, образующих верхний и нижний узлы блуждающего нерва. Эти волокна проводят чувствительные импульсы от внутренних органов, наружного уха, твердой оболочки головного мозга в задней черепной ямке. Парасимпатические волокна являются отростками заднего (дорзального) ядра блуждающего нерва, который иннервирует сердце и органы дыхания, большую часть пищеварительной системы (до сигмовидной ободочной кишки), почки. На шее блуждающий нерв, располагающийся рядом с общей сонной артерией и внутренней яремной веной, отдает ветви к гортани, глотке, пищеводу. Далее левый блуждающий нерв идет вниз, ложится на переднюю поверхность пищевода, а затем желудка. Правый блуждающий нерв проходит по задней поверхности пищевода и желудка. Парасимпатические волокна блуждающих нервов в стенках внутренних органов, в том числе и серд-
ца, проходят к внутриорганным парасимпатическим узлам, из которых осуществляется иннервация их гладкой мускулатуры и желез.
СПИННОМОЗГОВЫЕ НЕРВЫ
Спинномозговые нервы (31 пара) образуются из корешков, отходящих от спинного мозга. Выделяют 8 шейных спинномозговых нервов, 12 грудных, 5 поясничных, 5 крестцовых и 1 копчиковый. Спинномозговые нервы соответствуют сегментам спинного мозга (рис. 2.11).
Каждый спинномозговой нерв формируется из двух корешков — переднего (выносящего, эфферентного) и заднего (приносящего, афферентного), которые соединяются друг с другом в межпозвоночном отверстии. К заднему корешку прилежит чувствительный спинномозговой узел, содержащий тела крупных псевдоуниполярных чувствительных нейронов. Дендриты этих клеток направляются на периферию, где заканчиваются рецепторами, аксоны чувствительных клеток в составе заднего корешка входят в соответствующий задний рог спинного мозга.
Волокна переднего и заднего корешков образуют смешанные спинномозговые нервы, содержащие чувствительные (афферентные) и двигательные (эфферентные) волокна. Спинномозговые нервы, образующиеся на уровне восьмого шейного, всех грудных и двух верхних поясничных сегментов спинного мозга, содержат также вегетативные (симпатические) волокна, являющиеся отростками клеток, расположенных в боковых рогах и выходящих из спинного мозга в составе передних корешков.
Каждый спинномозговой нерв, выходя из межпозвоночного отверстия, делится на ветви: переднюю, заднюю и оболочечную. Кроме этих трех ветвей, имеющихся у всех спинномозговых нервов, в грудном и верхнепоясничном отделах имеется четвертая соединительная ветвь, соединяющаяся с симпатическим стволом. В составе этой ветви к симпатическому стволу идут вегетативные волокна, являющиеся отростками клеток, расположенных в боковых рогах спинного мозга с восьмого шейного — первого грудного сегментов по второй поясничный сегмент. Оболочечная ветвь возвращается через межпозвоночное отверстие в позвоночный канал и иннервирует оболочки спинного мозга. Задние ветви уходят назад к мышцам и коже задней области шеи, спины, поясничной об-
ласти и ягодиц. Наиболее толстые передние ветви идут кпереди, их волокна иннервируют кожу и мышцы шеи, груди, живота, верхних и нижних конечностей. В шейном, поясничном и крестцовом отделах передние ветви обмениваются волокнами и образуют сплетения: шейное, плечевое, поясничное, крестцовое, от которых отходят периферические нервы. В грудном отделе передние ветви грудных спинномозговых нервов волокнами не обмениваются, проходят в стенках груди и живота под названием межреберных нервов.
Рис. 2.11. Периферическая нервная система: 1 — головной мозг; 2 — спинной мозг; 3 — шейное сплетение; 4 — плечевое сплетение; 5 — межреберные нервы; 6 — лучевой нерв; 7 — поясничное сплетение; 8 — крестцовое сплетение; 9 — седалищный нерв; 10 — большеберцовый нерв; 11 — общий малоберцовый нерв; 12 — поверхностный малоберцовый нерв; 13 — глубокий малоберцовый нерв; 14 — подкожный нерв ноги; 15 — запирательный нерв; 16 — бедренный нерв; 17 — локтевой нерв; 18— срединный нерв; 19— симпатический ствол
Шейное сплетение образовано передними ветвями четырех верхних шейных спинномозговых нервов. Оно расположено между глубокими мышцами шеи. Ветви шейного сплетения выходят из-под заднего края грудино-ключично-сосцевидной мышцы. Мышечные ветви направляются к соседним мышцам (большой ушной, малый затылочный, подключичный нервы, поперечный нерв шеи, диафрагмальный нерв) и, соединяясь с подъязычным нервом (XII пара черепных нервов), образуют шейную петлю, иннервирующую передние мышцы шеи ниже подъязычной кости. Нервы шейного сплетения иннервируют глубокие мышцы шеи, кожу ушной раковины и наружного слухового прохода, латеральной части затылка, передних отделов шеи, надключичной и подключичной областей. Длинный диафрагмальный нерв спускается вниз в грудную полость, проходит между перикардом и средостенной плеврой и разветвляется в диафрагме. Диафрагмальный нерв иннервирует перикард, средостенную плевру, а также диафрагмальную брюшину и брюшинные связки печени.
Плечевое сплетение образовано передними ветвями четырех нижних шейных (V—VIII) и частично I грудного спинномозговых нервов. Расположено сплетение между передней и средней лестничными мышцами, откуда оно позади ключицы спускается в подмышечную полость тремя пучками, окружающими подмышечную артерию. У сплетения выделяют надключичную и подключичную части. От надключичной части отходят короткие ветви плечевого сплетения, иннервирующие часть мышц шеи, мышцы и кожу плечевого пояса, плечевой сустав.
К надключичным ветвям сплетения относятся задний (дорзальный) нерв лопатки, идущий к мышцам спины, надлопаточный нерв, направляющийся к над- и подостным мышцам, подлопаточный нерв, разветвляющийся в одноименной мышце, грудные нервы, иннервирующие большую и малую грудные мышцы, длинный грудной нерв, спускающийся к передней зубчатой мышце, грудоспинной нерв, идущий к широчайшей мышце спины, и подмышечный нерв, разветвляющийся в дельтовидной мышце, капсуле плечевого сустава и коже плеча.
От подключичной части плечевого сплетения, представленного тремя толстыми нервными стволами, отходят длинные ветви (нервы), идущие к коже, мышцам и суставам верхней конечности.
К длинным ветвям плечевого сплетения относятся медиальный кожный нерв плеча, медиальный кожный нерв предплечья и другие крупные нервы.
Мышечно-кожный нерв снабжает своими ветвями передние мышцы плеча (двуглавую, клювовидно-плечевую и плечевую), а также кожу латеральной стороны предплечья.
Срединный нерв, идущий на плече рядом с плечевыми артерией и венами, направляется на предплечье и кисть. На предплечье этот нерв отдает ветви к передним мышцам предплечья (кроме локтевого сгибателя запястья и части глубокого сгибателя пальцев), а затем через канал запястья направляется на кисть. На кисти срединный нерв иннервирует мышцы возвышения большого пальца (кроме приводящей и части сгибателя большого пальца), две латеральные червеобразные мышцы, а также кожу большого, указательного, среднего и половины безымянного пальца.
Локтевой нерв проходит по медиальной стороне плеча, где он, как и средний нерв, ветвей не отдает. На предплечье этот нерв проходит рядом с локтевой артерией и иннервирует локтевой сгибатель запястья и часть глубокого сгибателя пальцев и уходит на кисть. На кисти локтевой нерв отдает ветви к мышцам возвышения большого пальца, всем межкостным, двум медиальным червеобразным, приводящей большой палец кисти и глубокой головке короткого сгибателя большого пальца кисти. Локтевой нерв также иннервирует кожу ладонной стороны мизинца и медиальной половины безымянного пальца. На тыльной стороне кисти локтевой нерв снабжает кожу двух с половиной пальцев, включая мизинец.
Лучевой нерв на плече проходит вместе с глубокой артерией плеча в плечеподмышечном канале на задней поверхности кости, где отдает ветви к трехглавой мышце и коже задней поверхности плеча. Пройдя на предплечье, лучевой нерв иннервирует все мышцы и кожу задней поверхности предплечья (разгибатели), а также кожу тыльной стороны двух с половиной пальцев, начиная с большого пальца.
Передние ветви грудных спинномозговых нервов сплетения не образуют и уходят в межреберные промежутки в качестве межреберных нервов. Межреберные нервы иннервируют кожу и мышцы груди (межреберные и другие). Шесть нижних межреберных нервов иннервируют кожу и мышцы передней брюшной стенки.
Поясничное сплетение располагается-, в толще большой поясничной мышцы, образовано передними ветвями трех верхних поясничных нервов и частично XII грудного и IV поясничного. Из поясничного сплетения выходят мышечные ветви к большой и малой поясничным мышцам, квадратной мышце поясницы. Длинными ветвями поясничного сплетения являются
следующие нервы. Подвздошно-подчревный и подвздошно-паховый нервы иннервируют нижние отделы передней стенки живота, ее кожу и мышцы. Подвздошно-паховый нерв отдает также ветви к коже наружных половых органов. Бедренно-половой нерв спускается вниз по передней поверхности большой поясничной мышцы. Одна его ветвь разветвляется и иннервирует кожу бедра ниже паховой складки, а другая иннервирует семенной канатик и оболочки яичек (у мужчин), а у женщин — круглую связку матки и кожу наружных половых органов.
Латеральный кожный нерв бедра идет вниз по передней поверхности подвздошной мышцы. Затем медиальнее передней верхней ости подвздошной кости выходит на бедро и снабжает кожу на боковой его стороне.
Запирательный нерв проходит по стенке малого таза к запирательному каналу, через него — к приводящим мышцам бедра и покрывающей их коже.
Бедренный нерв, самый крупный нерв поясничного сплетения, спускается вниз и через мышечную лакуну под паховой связкой выходит на бедро. Этот нерв иннервирует мышцы передней поверхности бедра (четырехглавую и портняжную) и кожу. Длинная ветвь бедренного нерва — подкожный нерв проходит вниз рядом с большой подкожной веной ноги и отдает ветви к коже переднемедиальной поверхности коленного сустава, голени и стопы.
Крестцовое сплетение образовано передними ветвями V поясничного, всех крестцовых и копчиковых нервов, а также (частично) волокнами четвертого поясничного спинномозгового нерва. Располагается крестцовое сплетение на передней поверхности крестца. Из крестцового сплетения выходят ветви к мышцам таза (грушевидной, близнецовым, внутренней запирательной), квадратной мышце бедра, ягодичные нервы (верхний и нижний) к ягодичным мышцам, половой нерв, идущий к коже и мышцам промежности, к наружным половым органам, а также длинные ветви — задний кожный нерв бедра и седалищный нерв.
Задний кожный нерв бедра выходит из полости таза вместе с седалищным, нижним ягодичным и половым нервами через подгрушевидное отверстие и иннервирует кожу задней поверхности бедра и ягодичной области.
Седалшцный нерв, самый крупный в теле человека, выходит на заднюю поверхность бедра, где отдает ветви к мышцам (двухглавой мышце бедра, полусухожильной и полуперепон- чатой). В подколенной ямке седалищный нерв разделяется на крупные большеберцовый и общий малоберцовый нервы.
Большеберцовый нерв, отдав медиальный кожный нерв икры (к коже медиальной поверхности голени), уходит вниз между поверхностными и глубокими мышцами (в голено-подколенном канале) и иннервирует все задние мышцы голени. Затем большеберцовый нерв огибает медиальную лодыжку сзади и уходит на подошву стопы, где делится на медиальный и латеральный подошвенный нервы, иннервирующие мышцы и кожу этой части тела.
Общий малоберцовый нерв из подколенной ямки идет ла- терально, отдает латеральный кожный нерв икры (к коже заднелатеральной поверхности голени) и на уровне головки малоберцовой кости делится на поверхностный и глубокий малоберцовый нервы. Поверхностный малоберцовый нерв иннервирует длинную и короткую малоберцовые мышцы и кожу тыла стопы (кроме кожи в области первого межпальцевого промежутка). Глубокий малоберцовый нерв проходит вместе с передней большеберцовой артерией между мышцами передней группы голени, иннервирует эти мышцы. На стопе глубокий малоберцовый нерв иннервирует короткие разгибатели пальцев и кожу в области первого межпальцевого промежутка.
Медиальный и латеральный нервы икры (ветви большеберцового и общего малоберцового нервов) соединяются на задней поверхности голени, образуют подкожный нерв, иннервирующий кожу латерального края стопы.
АВТОНОМНАЯ (ВЕГЕТАТИВНАЯ)
НЕРВНАЯ СИСТЕМА
Автономная (вегетативная) система из нервной системы выделена в связи с особенностями ее строения и функций. У всей нервной системы, исходя из ее функций, выделяют соматическую ее часть и автономную (вегетативную). К соматической части относят те отделы нервной системы, которые участвуют в выполнении функций, подконтрольных нашему сознанию. Это структуры, с помощью которых организм устанавливает взаимоотношения с внешней средой, воспринимает различные виды чувствительности — болевую, температурную, тактильную, световую, звуковую, вкусовую, а также обеспечивает функции опорно-двигательного аппарата.
Вегетативная часть нервной системы осуществляет иннервацию всех обменных процессов в теле человека, поддержи-
вает постоянство внутренней среды, координирует функции внутренних органов, желез, сердечно-сосудистой системы.
Структурными отличиями автономной части нервной системы от соматической нервной системы являются очаговое расположение вегетативных центров (в трех отделах мозга), наличие вегетативных нервных узлов (скоплений тел нервных клеток) в нервных сплетениях, двухнейронность эфферентного нервного пути от мозга до рабочего органа, отсутствие сегментарности.
Простейшая рефлекторная дуга вегетативного рефлекса, как и соматическая рефлекторная дуга, состоит из трех звеньев: чувствительного (афферентного), вставочного (кондукторного, переключательного) и двигательного или секреторного (эффекторного). Чувствительное звено образовано вегеточув- ствительными нервными клетками, расположенными в спинномозговых узлах и чувствительных узлах черепных нервов. Периферические отростки вегеточувствительных нейронов имеют во всех внутренних и других органах, коже, стенках сосудов чувствительные нервные окончания — интерорецеп- торы. Анатомические особенности строения позволяют рецепторам избирательно реагировать лишь на один определенный вид энергии, который преобразуется в нервный импульс. Центральные отростки вегеточувствительных нейронов входят в мозг и достигают вегетативных ядер, где образуют синапсы (контакты) с вставочными (переключательными) нейронами. Второе звено рефлекторной дуги представлено нейронами, тела которых располагаются в вегетативных ядрах спинного и головного мозга. Аксоны вставочных вегетативных нейронов покидают головной или спинной мозг в составе черепных или спинномозговых нервов. Отделившись от этих черепных или спинномозговых нервов, вегетативные волокна направляются к нервным клеткам — третьему звену вегетативной рефлекторной дуги. Тела эффекторных (двигательных, секреторных и других) нейронов образуют узлы, лежащие около позвоночника (околопозвоночные) в составе правого и левого симпатических стволов, в стенках внутренних органов (внутриорганные узлы), а также возле внутренних органов (околоорганные узлы). Аксоны эффекторных (третьих) нейронов имеют в органах эффекторные нервные окончания.
Автономную нервную систему на основании строения, топографии вегетативных ядер в спинном и головном мозге, а также особенностей функции подразделяют на симпатическую и парасимпатическую части.
Симпатическая часть вегетативной нервной системы иннервирует все органы и ткани тела человека — кожу, мышцы, внутренние органы, кровеносные и лимфатические сосуды и другие структуры.
Парасимпатическая часть иннервирует только внутренние органы, которые, таким образом, имеют двойную вегетативную иннервацию — и симпатическую, и парасимпатическую. Все остальные органы и ткани получают только симпатическую вегетативную иннервацию.
И симпатическая, и парасимпатическая части имеют центральные отделы в виде ядер (скоплений клеток вегетативной природы), расположенных в различных отделах мозга, и периферический отдел. Периферический отдел вегетативной нервной системы включает находящиеся за пределами мозга (вне полости черепа и позвоночного канала) вегетативные нервы, нервные волокна, узлы (ганглии), вегетативные сплетения и нервные окончания.
У симпатической части к центральному ее отделу принадлежат ядра, расположенные в боковых рогах спинного мозга с VIII шейного (I грудного) по II поясничный сегмент. К периферическому отделу симпатической части относятся парный симпатический ствол, расположенный по сторонам от позвоночного столба (справа и слева) с его соединительными ветвями (белыми и серыми); нервы, идущие от симпатического ствола к внутренним органам и сосудам, к крупным симпатическим сплетениям, находящимся в брюшной полости и в полости таза, нервные окончания симпатической природы. Симпатические нервные сплетения располагаются на брюшной аорте, на передней поверхности крестца и состоят из групп нервных узлов, подходящих к ним и отходящих от них нервов. К числу наиболее крупных сплетений относится чревное (солнечное) сплетение, расположенное вокруг чревного ствола. Из узлов этого сплетения отходят симпатические волокна, иннервирующие почти все органы брюшной полости. Симпатические волокна, отходящие от симпатического ствола, идут также в составе всех спинномозговых и черепных нервов. Существуют и самостоятельные симпатические нервы — сердечные, сонные, пищеводные, легочные, осуществляющие симпатическую иннервацию сердца, органов головы, шеи, грудной и брюшной полостей. Симпатическая нервная система иннервирует все ткани и органы тела человека. Медиатором (химическим посредником передачи возбуждения) окончаний симпатических нервных волокон в большинстве случаев является норадреналин. Под его влиянием увеличивается ритм и сила
сердечных сокращений, происходит сужение сосудов, расширение зрачка, снижение секреции желез желудка и кишечника, расслабление гладкой мускулатуры кишечника.
У парасимпатической части нервной системы центральный отдел расположен в стволе головного мозга в виде ядер черепных нервов (глазодвигательного, лицевого, языкоглоточного, блуждающего) и в боковых рогах крестцовых сегментов спинного мозга (с II по IV).
Периферический отдел парасимпатической части нервной системы представлен нервными волокнами в составе черепных и тазовых нервов, нервными узлами, расположенными в стенках внутренних органов или в непосредственной близости от органов, нервными окончаниями парасимпатической природы. Ко многим внутренним органам парасимпатические волокна идут в составе блуждающих нервов (X пара черепных нервов). Этот нерв иннервирует почти все органы грудной и брюшной полостей. Половые органы, мочевой пузырь и конечная часть толстой кишки получают парасимпатическую иннервацию из крестцового отдела спинного мозга.
Медиатором, образующимся в окончаниях парасимпатических нервных волокон, является ацетилхолин, который уменьшает ритм и силу сердечных сокращений, суживает просвет бронхов, усиливает желудочно-кишечную перистальтику, активизирует секрецию желез желудка, кишечника, поджелудочной железы, суживает зрачок.
Таким образом, в отличие от других органов и частей тела, внутренние органы получают двойную вегетативную иннервацию: и симпатическую, и парасимпатическую. Обе эти части вегетативной нервной системы действуют на одни и те же внутренние органы, создавая наиболее оптимальный режим их работы. В зависимости от жизненных обстоятельств, от величины функциональных нагрузок вегетативная нервная система или усиливает функции тех или иных внутренних органов, включая работу сердца, или ослабляет их. При этом в каждый момент в соответствии с потребностями организма большую активность в отношении внутренних органов проявляет или симпатическая, или парасимпатическая части вегетативной нервной системы.
Что касается остальных органов и тканей (опорно-двигательного аппарата, кожи с ее структурными элементами, стенок сосудов и др.), все обменные процессы в них регулирует симпатическая часть вегетативной нервной системы.
Координацию работы всех отделов вегетативной нервной системы осуществляют гипоталамус и кора большого мозга.
ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯНЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
СИНАПТИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ
НЕРВНЫХ КЛЕТОК
Понятие синапса введено английским физиологом Ч. Шеррингтоном. Исследуя рефлексы спинного мозга, он выяснил, что возбуждение идет только от задних корешков к передним и поэтому предположил наличие между нейронами контактов, имеющих одностороннюю проводимость. Современные физиологические и цитологические работы подтвердили эту гипотезу.
Синапс настолько узок, что его строение можно изучать только в электронный микроскоп. Он состоит из пресинапти- ческой части (отросток, или тело нейрона) и постсинаптической части (отросток, или тело). Цитоплазма в месте контакта уплотнена с обеих сторон или только в постсинаптической клетке. Сигнал передается от пресинаптической части к постсинаптической. Между ними находится синаптическая щель шириной 0,02—0,03 мкм. Диаметр синапса 1—2 мкм и менее (рис. 3.1).
В пресинаптическом окончании находятся небольшие мембранные пузырьки — везикулы. Диаметр везикул может составлять 0,02—0,06 мкм и более; их форма сферическая или уплощенная. Везикулы наполнены физиологически активными веществами — медиаторами. Для каждого конкретного нейрона параметры образуемых им синапсов (размер щели, диаметр и форма везикул, количество молекул медиатора в везикуле) постоянны.
Везикулы образуются в теле нейрона в результате деятельности комплекса Гольджи, транспортируются по аксону и на-
Рис. 3.1. Различные варианты изображения синапса: а — плоская (двухмерная) схема; б — объемная схема; в — фотография, полученная с помощью электронного микроскопа; 1 — пресинаптическая мембрана; 2 — постсинаптическая мембрана; 3 — синаптическая щель; 4 — везикулы с медиатором; 5 — митохондрии; 6 — эндоплазматическая сеть
капливаются в пресинаптическом окончании. При возбуждении окончания происходит выброс (экзоцитоз') содержимого везикул за счет того, что мембрана пузырька слипается с пре- синаптической мембраной, и он «раскрывается» в синаптическую щель. Медиатор, попав в щель, воздействует на постсинаптическую мембрану. В результате постсинаптическая клетка может возбудиться или затормозить свою активность. Именно в этом и состоит сущность процесса передачи информации от нейрона к нейрону.
Синапсы разделяют на типы в зависимости от структур, которые их образуют.
Наиболее распространены аксо-дендритные и аксо-сомати- ческие синапсы — контакты между аксоном одной клетки (пресинаптическая часть) и дендритом либо телом другой клетки (постсинаптическая часть). Встречаются и другие варианты: дендро-дендритные, сомато-дендритные, аксо-аксо- нальные и прочие типы синапсов.
Синапс, состоящий из одного пре- и одного постсинаптического окончания, называют простым, но в ЦНС существуют и сложные синапсы. В этом случае можно наблюдать, как пре- синаптическое окончание аксона образует «розетку» мембран-
ных выростов и контактирует с дендритами или телами сразу нескольких нейронов (рис. 3.2).
Иная картина при формировании так называемых дендритных шипиков: пресинаптических окончаний несколько, постсинаптическая же часть одна и образована характерным выростом дендрита.
Более сложную структуру имеют синаптические гломеру- лы — компактные скопления нервных отростков разных клеток, формирующие большое количество взаимных синапсов. Обычно такие гломерулы окружены оболочкой из глиальных клеток.
Синапс является элементарной структурой и функциональной единицей нервной ткани, в которой происходит передача сигналов с нейрона на нейрон. Взаимодействие эффектов рядом расположенных синапсов — один из важнейших элементов обработки информации в ЦНС, а существование сложных синапсов (особенно синаптических гломерул) позволяет осуществлять этот процесс особенно эффективно. Наибольшее количество сложных синапсов расположено именно в тех зонах мозга, где происходит максимально сложная обработка сигналов — в коре больших полушарий, коре мозжечка и таламусе.
Количество синапсов, образуемых одним нейроном, в среднем составляет 2—5 и более тысяч. Синапсы присутствуют на
Рис. 3.2. Типы сложных синапсов, наиболее часто встречающихся в ЦНС: а — розетка; б — дендритный шипик; в — гломерула; 1 — окончания аксонов, образующие синапсы; 2 — дендриты; 3 — оболочка (глиальная клетка); —> —направление передачи сигнала в синапсах
теле нейрона, его дендритах и в меньшей степени на аксоне. Наибольшее значение для деятельности нервных клеток имеют контакты с телом нейрона, основанием дендритов, а также точками их первого разветвления (рис. 3.3). Пресинаптиче- скую функцию выполняют чаще всего конечные разветвления аксонов, реже — их коллатерали, а также тонкие ветвления дендритов.
Отдельные нейроны, соединяясь синаптическими контактами, образуют нервные цепи и сети, состоящие из трех основных элементов — входных волокон, релейных клеток (тип Гольджи I — более крупные, обычно возбуждающие; имеют длинные аксоны и дают эфферентные выходы из сети к другим структурам мозга) и интернейронов (тип Гольджи II — мельче, чаще тормозные; имеют короткие аксоны и модулируют активность близлежащих нервных клеток). Каждый синапс может быть образован любыми двумя из этих элементов или всеми тремя. При этом формируются нейронные контуры, способные осуществлять передачу сигналов по сложным траекториям; соединять и разделять потоки сигналов. Такие сети образуют простейшие (типовые) нейронные модули, служащие для обработки информации, которые функционируют как единое целое и могут многократно повторяться в некоторой мозговой структуре (ядре).
Кроме синапсов в ЦНС, нервные клетки способны к образованию контактов с мышцами и внутренними органами —
Рис. 3.3. Схема расположения на теле и отростках нейрона большого количества синапсов: 1 — ядро; 2 — митохондрии; 3 — синапсы
более крупных структур размером до 50 мкм (рис. 3.4). Нервно-мышечные синапсы — это синапсы двигательной системы организма, срабатывание такого контакта вызывает сокращение мышечного волокна. На каждой поперечно-полосатой мышечной клетке имеется только один нервно-мышечный синапс, образованный мотонейроном ЦНС.
Синапсы с внутренними органами — это синапсы вегетативной нервной системы. Их образуют симпатические и парасимпатические нейроны с клетками гладких мышц или желез. Срабатывание таких контактов вызывает изменение секреции или тонуса мышечных волокон в стенках внутренних органов. В вегетативной нервной системе существуют синапсы между нервными клетками вне ЦНС — в нервных сплетениях и ганглиях.
Синапсы, использующие для передачи сигнала медиатор, называются химическими. Кроме них, существуют электрические синапсы, где электрические сигналы переходят с пре- синаптической мембраны непосредственно на постсинаптическую. Ширина синаптической щели в этом случае составляет всего 0,002—0,004 мкм. Подобные контакты характерны для тканей сердечной мышцы и гладкой мускулатуры. Их наличие позволяет возбуждению без заметной паузы переходить от волокна к волокну.
Рис. 3.4. Строение нервно-мышечного синапса: а — малое увеличение; б — большое увеличение; 1 — разветвления нервного волокна; 2 — аксон мотонейрона; 3 —- пре- синаптическое окончание нервного волокна; 4 — везикулы с медиатором; 5 — митохондрии; 6 — постсинаптическая мембрана
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ
НЕРВНОЙ КЛЕТКИ
Передача сигналов по нервным клеткам происходит в виде потенциалов действия (ПД) — коротких электрических импульсов, проходящих по мембранам. Однако и в состоянии покоя нейрон изнутри заряжен отрицательно по отношению к своей внешней поверхности, т. е. обладает устойчивым мембранным потенциалом, или потенциалом покоя (ПП), который составляет в среднем -70 мВ.
Для измерения ПП, а также другой электрической активности нервных клеток используют стеклянный микроэлектрод — трубочку с сильно вытянутым и утонченным кончиком, диаметр которого должен быть менее 1 мкм; в этом случае микроэлектрод, проткнув мембрану нейрона, не нанесет ему заметных повреждений. Полость трубочки заполняется раствором соли КС1 для обеспечения электрической проводимости. Пока кончик электрода находится в межклеточной среде, стрелка микровольтметра стоит на нуле (рис. 3.5). В момент прокалывания мембраны нейрона регистрируется скачок потенциала вниз до уровня ПП, и, если не смещать электрод относительно нервной клетки, потенциал сохраняется практически неизменным.
Потенциал покоя зависит от свойств мембраны нейронов и ионного баланса нервной ткани. Показано, что концентрация
Рис. 3.5. Регистрация потенциала покоя нервной клетки: а — реальная фотография, позволяющая сопоставить размеры нейрона и электродов, используемых в экспериментах; б — схема регистрации потенциала покоя путем введения в нейрон кончика микроэлектрода; 1 — ядро клетки; 2 — внутриклеточный электрод; 3 — вольтметр
основных ионов внутри и вне нервной клетки существенно различается; так, в аксоне кальмара ионов К+ в цитоплазме в 20—30 раз больше, чем снаружи; ионов Na+ и СГ примерно в 10 раз меньше; Са2+ снаружи больше в 20—30 раз.
Создание такого ионного баланса осуществляется особыми белками-насосами. Наиболее важной для деятельности нервной системы является натрий-калиевая АТФ-аза (Na+, К+-на- сос). Этот крупный белок (около 1000 аминокислот), встроенный в мембрану, имеет на внутренней поверхности места связывания для Na+ и АТФ, а на наружной поверхности — для К+ (рис. 3.6).
На первой стадии цикла Na+, К+-насос захватывает из цитоплазмы три иона Na+ и молекулу АТФ, затем, используя энергию распада АТФ, молекула насоса меняет свою пространственную конфигурацию, ионы Na+ оказываются снаружи клетки и высвобождаются в межклеточную среду. Насос захватывает два иона К+ и возвращается к исходной конфигурации. В результате ионы К+ переходят в цитоплазму, а насос готов к новому циклу. Процесс переноса в клетку ионов К+ требует затраты энергии, получаемой в результате распада АТФ на АДФ и фосфорную кислоту (Ф).
Скорость этого процесса может быть очень большой — до 600 ионов Na+ в секунду. В реальных нейронах она определяется доступностью внутриклеточного Na+ и резко возрастает при его проникновении извне. При отсутствии любого из двух типов ионов работа насоса останавливается. Специфическим
3 Na+Н3 Na+НАТФАТФА 2 КА 2 КМесто связывания К+ и строфантинаМесто связывания К+ и строфантинаДвухслойная липидная клеточная мембранаДвухслойная липидная клеточная мембранаАДФ+ФАДФ+ФВнешняя среда много Na+ мало К+
3 Na+Н
3 Na+Н
АТФ
АТФ
А 2 К
А 2 К
Место связывания К+ и строфантина
Место связывания К+ и строфантина
Двухслойная липидная клеточная мембрана
Двухслойная липидная клеточная мембрана
АДФ+Ф
АДФ+Ф
Внутренняя среда мало Na+ много К+
Рис. 3.6. Схема Na+, К+-насоса:— выход из клетки
ионов Na+ и перенос в клетку ионов К+
ядом, блокирующим деятельность Na+, К+-насоса, является токсин растительного происхождения строфантин, присоединяющийся к месту связывания К+.
Сходные системы переноса существуют для ионов С1" и Са2\ При этом ионы хлора выводятся из цитоплазмы в межклеточную среду, а ионы кальция обычно переносятся внутрь клеточных органоидов — каналов ЭПС и митохондрий.
Для возникновения потенциала покоя также необходимо существование в мембране нервных клеток открытых ионных каналов, в результате чего мембрана становится проницаемой для определенных ионов, получающих возможность свободно перемещаться между цитоплазмой и межклеточной средой. Ключевое значение для появления ПП имеют постоянно открытые (проточные) К+-каналы. Они представляют собой белковые молекулы, проход внутри которых специфически настроен на пропуск ионов К+.
Исходное состояние нейрона (до развития ПП) — отсутствие внутреннего заряда. Количество положительных и отрицательных ионов в цитоплазме клетки равное. Такая картина наблюдается на ранних этапах эмбрионального развития нервной ткани. Затем по мере ее созревания включаются гены, запускающие синтез постоянно открытых К+-каналов. После их встраивания в мембрану ионы К+ получают возможность свободно выходить из клетки, где их содержание велико, в межклеточную среду, где их гораздо меньше.
Однако такая диффузия не приводит к уравниванию концентрации ионов калия внутри и вне клетки, так как параллельно с выходом К1 из клетки в ней становится все больше оставшихся без своей положительно заряженной пары анионов (отрицательно заряженных ионов); по мере диффузии К+ в цитоплазме нейрона накапливается отрицательный электрический заряд (рис. 3.7, а). Притягивая к себе катионы (положительно заряженные ионы), он начинает все больше препятствовать выходу К4 из клетки. В итоге выход К+ продолжается лишь до тех пор, пока сила диффузии (концентрационного давления) и сила электрического поля не станут равны. Точка равновесия и соответствует уровню потенциала покоя.
Ток ионов при достижении ПП не останавливается, так как имеются постоянно открытые каналы и К* продолжает перемещаться сквозь мембрану, но число ионов, которые вошли в клетку и вышли из нее, теперь оказывается одинаковым. Такое состояние называется динами ческим равновеси-
Рис. 3.7. Роль ионов К+ в возникновении и поддержании потенциала покоя (ПП): а — возникновение ПП вследствие диффузии ионов К+ через постоянно открытые ионные каналы (ИК); © — ионы К+; © — отрицательные ионные пары; б — изменение уровня ПП при удалении К+ из межклеточной среды и добавлении К+ в межклеточную среду; 1 — сдвиг ПП при удалении К+ из внешней среды (рост диффузии); 2 — сдвиг ПП при добавлении К+ во внешнюю среду (снижение диффузии)
ем — равенством двух противоборствующих процессов. Если интенсивность одного из процессов изменится, то точка равновесия сместится: при искусственном повышении концентрации К+ в межклеточной среде ослабляется диффузия; часть ионов будет втянута внутрь клетки, и ПП сместится вверх. При уменьшении содержания ионов калия в межклеточной среде усиливается диффузия, и ПП сместится вниз (рис. 3.7, б).
Все эти явления подчиняются химическим и физическим законам. Существует уравнение Нернста, позволяющее рассчитать уровень ПП, зная внутреннюю и наружную концентрации К+:
ПП = 2,3 RT/F 1g [К+]нар/[К+]внутр
где R, Т и F — три физические характеристики (газовая постоянная, абсолютная температура и постоянная Фарадея соответ-
ственно); выражение перед логарифмом (2,3 RT/F) при температуре тела равно 61,5 мВ. Десятичный логарифм отношения концентраций ионов К+ в межклеточной среде ([К+]нар) и цитоплазме ([К+]внутр) равен -1,30 для соотношения 1/20 и -1,48 для соотношения 1/30; соответствующие значения ПП будут равны -80 мВ и -91 мВ; при этом в равновесном состоянии из клетки выйдет менее 1% ионов К1.
Однако возникает несоответствие между рассчитанным уровнем ПП и ПП реальных клеток, который обычно несколько ниже по абсолютному значению. Подъем ПП происходит за счет другого типа постоянно открытых ионных каналов — натриевых, которых существенно меньше, чем калиевых, но входящие в них ионы Na^, внося в клетку положительный заряд, могут увеличить ПП.
Входящий ток Na+ (ток утечки), снижая ПП по абсолютному значению, делает нейрон более возбудимым. Чем больше у нейрона ток утечки Na+ (постоянно открытых Ма+-каналов), тем легче вызвать у него потенциал действия.
Роль ионов К+ в формировании ПП состоит в создании «базовой», несколько завышенной разности потенциалов между цитоплазмой нейрона и внешней средой, роль ионов Na+— в «подгонке» ПП каждого конкретного нейрона к генетически заданному уровню возбудимости. Чем больше натрия во внешней среде, а в мембране — натриевых каналов, тем выше (меньше по абсолютному значению) уровень ПП. Таким образом, возникает возможность сформировать как легко возбудимые нейроны (необходимые для систем бодрствования или кратковременной памяти), так и нейроны мало возбудимые (например, запускающие двигательные программы).
Ток утечки Na+ компенсируется работой Na+, К+-насоса. При отравлении строфантином уровень ПП начнет медленно смещаться вверх, приближаясь к нулю.
Мембрана нервной клетки на уровне ПП обладает также определенной проницаемостью для ионов СГ. Обычно она несколько выше, чем проницаемость для ионов Na+, и вклад ее в формирование ПП учтен в расширенном варианте уравнения Нернста:
ПП = 2,3 RT/F 1g (Рк[КХР+ PN.[Na*]Hap ++ Рс|1^-1виутр/Рк(К4 ]внуТр + Рма[^а+]ВНутр + Рс1[С1—]нар)
где Рк, PNa и РС1— проницаемости мембраны для соответствующих ионов (примерное соотношение 1,00 : 0,04 : 0,15).
Последний фактор, который влияет на уровень ПП, — это электрогенный эффект Na+, К+-насоса. Обменивая в каждом цикле три иона натрия на два иона калия, насос уменьшает общее количество положительно заряженных ионов в цитоплазме, и его активность снижает уровень ПП (увеличивает его по абсолютному значению). Вклад электрогенного эффекта насоса зависит от тока утечки Na+, но обычно не превышает нескольких мВ.
Таким образом, конечный уровень потенциала покоя определяется взаимодействием большого числа факторов, основными из которых являются входящий и выходящий токи К+, входящий ток Na+ и деятельность Na+, К+-насоса. Конечная величина ПП является результатом динамического равновесия процессов. Воздействуя на любой из них, можно смещать уровень ПП и соответственно уровень возбудимости нервной клетки (рис. 3.8).
Таким образом, функция ПП состоит в стабильном обеспечении работоспособного состояния нервных клеток, и, обладая ПП, нейрон способен из состояния ожидания переходить в «рабочий режим» — т. е. время от времени генерировать потенциалы действия (скачки потенциала на мембране, передающие информацию в ЦНС).
Рис. 3.8. Факторы, участвующие в формировании ПП: I — диффузия ионов К+ через постоянно открытые калиевые каналы (рост ПП по абсолютной величине); II — Na+, К+-насос (обмен трех Na+ на два К+, электрогенный эффект и рост ПП по абсолютной величине); III — диффузия ионов Na+ через постоянно открытые натриевые каналы: ток утечки, снижение ПП по абсолютной величине; --* — движение ионов Na+; —> — движение ионов К+
ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ
Мембрана нервной клетки постоянно находится в состоянии поляризации, и ее внутренняя сторона заряжена отрицательно по отношению к внешней. Процесс уменьшения разности потенциалов на мембране (снижение ПП по абсолютной величине) называется деполяризацией, а увеличение разности потенциалов (рост абсолютной величины ПП) — гиперполяризацией.
Можно воздействовать на мембрану, используя стеклянный микроэлектрод. При подаче электрического тока и деполяризации мембраны на 10, 15, 20 мВ и более по отношению к уровню ПП (рис. 3.9) разность потенциалов на мембране достигнет примерно -50 мВ и будет наблюдаться феномен «взрывообразного» ее подъема и последующего спада. Это явление было названо потенциалом действия (ПД). В случае развития ПД ответ клетки на стимул значительно превышает амплиту-
ду самого стимула. Феномен потенциала действия чрезвычайно важен для понимания общих принципов работы нервной системы. Именно в форме ПД осуществляется ответ нервных клеток на значимые стимулы, и в этой же форме сигналы распространяются по мембранам нейронов.
Средняя длительность ПД составляет около 1,5 мс. При этом его восходящая фаза (фаза деполяризации) несколько короче (около 0,5 мс) нисходящей фазы (фазы реполяризации). На вершине ПД разность потенциалов меняет свой знак и достигает примерно +30 мВ (рвершут). После ПД могут развиваться более длительные стадии следовой гиперполяризации или деполяризации, имеющие обычно небольшую амплитуду. Форма и амплитуда ПД стабильны в каждом конкретном нейроне и не зависят от силы запускающего стимула, развитие ПД нейрона происходит по принципу «все или ничего».
Уровень потенциала, при котором деполяризация мембраны приводит к запуску ПД, называется порогом ПД и чаще всего составляет -50 мВ. Разница между ПП и порогом ПД называется критическим уровнем деполяризации. Чем ниже (по абсолютной величине) ПП, тем меньше критический уровень деполяризации и выше возбудимость нейрона.
Ионы, участвующие в генерации ПД, те же, что и в случае потенциала покоя — Na+ и К+. При развитии ПД натрий входит в нейрон, а калий выходит. Ионные каналы, через которые они движутся, относятся к отдельному классу — потенциал-зависимым (электрочувствительным) ионным каналам. Транспортные белки этого класса обладают способностью находиться в открытом либо закрытом состоянии в зависимости от разности потенциалов на мембране клетки. Обычно это связано с наличием заряженных фрагментов белковой молекулы — створок. Такие створки чаще всего перекрывают проход канала, если заряд внутри нейрона находится на уровне ПП, и открывают его при деполяризации мембраны.
Если отдельно регистрировать движения (токи) ионов Na+ и К+ во время ПД, то можно получить следующие кривые (рис. 3.10). Натриевый ток возникает практически сразу после запускающего ПД стимула, в течение 0,3—0,4 мс достигает максимума, а затем снижается. Снижение и прекращение натриевого тока происходит на фоне еще не завершившегося ПД. Следовательно, время открытия Ма+-каналов ограничено, и их закрытие происходит вне зависимости от разности потенциалов на мембране. Калиевый ток, возникая позже натриевого, достигает максимума примерно через 1,0 мс после сти-
мула. Противодействуя Na' -току, К+-ток выносит из клетки положительные заряды, возвращая разность потенциалов на мембране к уровню ПП. Таким образом, во время генерации ПД регистрируется более быстрый входящий ток ионов Nax и более медленный выходящий ток ионов К+. Первый из них приводит к росту заряда внутри клетки (восходящая фаза ПД), второй — к возврату уровня потенциала покоя (нисходящая фаза ПД).
Объяснить эти факты можно, если допустить существование у электрочувствительного Na+-кaнaлa не одной, а двух створок. Более «быстрая» из них открывает канал (активирует, А-створка); более «медленная» закрывает его (инактивирует, И-створка). В дальнейшем была доказана справедли-
а)а)б)б)Движение А- z створкиДвижение А- z створки2 Вход Na Закрытие2 Вход Na Закрытие-. Возврат в 1 исходное ^состояние ил-. Возврат в 1 исходное ^состояние илРис. 3.11. Кривая ПД (а) и схемы движения створок Ка+-канала (б) и К+-канала (в) во время генерации потенциала действия: 1—5 — основные этапы процессаРис. 3.11. Кривая ПД (а) и схемы движения створок Ка+-канала (б) и К+-канала (в) во время генерации потенциала действия: 1—5 — основные этапы процессаДвижение И-створкиДвижение И-створки / Выход К+ / Выход К+22/_4 п.'«Л Г Закрытие/ОткрытиеXi IИ К канала^с^канала^^/_4 п.'«Л Г Закрытие/ОткрытиеXi IИ К канала^с^канала^^
а)
а)
б)
б)
Движение А- z створки
Движение А- z створки
2 Вход Na Закрытие
2 Вход Na Закрытие
-. Возврат в 1 исходное ^состояние ил
-. Возврат в 1 исходное ^состояние ил
Рис. 3.11. Кривая ПД (а) и схемы движения створок Ка+-канала (б) и К+-канала (в) во время генерации потенциала действия: 1—5 — основные этапы процесса
Рис. 3.11. Кривая ПД (а) и схемы движения створок Ка+-канала (б) и К+-канала (в) во время генерации потенциала действия: 1—5 — основные этапы процесса
Движение И-створки
Движение И-створки
/ Выход К+
/ Выход К+
2
2
/_4 п.'«Л Г Закрытие
/ОткрытиеXi IИ К канала
^с^канала^^
/_4 п.'«Л Г Закрытие
/ОткрытиеXi IИ К канала
^с^канала^^
вость этой гипотезы, причем оказалось, что «медленная» створка прикреплена к внутренней стороне канала. В итоге деятельность Ка+-канала в ходе генерации ПД можно представить следующим образом (рис. 3.11). На уровне ПП А-створка закрыта, И-створка открыта (состояние готовности, точка 1). При подаче стимула створки, не удерживаемые более отрицательным внутриклеточным зарядом, приходят в движение. А-створка очень быстро открывает проход внутри канала, и ионы Na+ начинают входить в нейрон; натриевый ток растет (точка 2). Скоро И-створка в своем движении достигает «верхнего положения»; каналы начинают закрываться, натриевый ток ослабевает и прекращается (точка 3).
Именно движение И-створки ограничивает время открытия канала, количество входящих в нейрон ионов Na+ и амплитуду ПД. В точке 3 Ка+-канал пока еще не вернулся в на-
чальную конфигурацию: хотя он и закрыт, створки его занимают положение, отличное от исходного. Вновь привести их в состояние готовности можно, лишь понизив мембранный потенциал до уровня ПП, что и является задачей К+каналов.
К+-каналы являются потенциал-зависимыми каналами с одной (активирующей) створкой. Относительно медленно открываясь (рис. 3.11, точки 2—3), они обеспечивают выходящий ток калия и фазу гиперполяризации ПД. Закрытие створки происходит после «прохода» порогового уровня для запуска ПД (точки 4—5). При этом скорость закрытия также невелика. В результате повышенная проницаемость мембраны для ионов К+ сохраняется еще некоторое время. Это позволяет разности потенциалов на мембране достичь уровня ПП, а часто — и опуститься ниже, что вызывает следовую гиперполяризацию. Если потенциал на мембране все же остается выше ПП, наблюдается следовая деполяризация. Оба эти состояния в дальнейшем затухают за счет деятельности постоянно открытых ионных каналов.
Одновременно при проходе уровня порога ПД совершают обратное движение створки Ка+-каналов. Сначала вновь быстро срабатывает А-створка, закрывая проход канала (рис. 3.11, точка 4), затем возвращается в исходное положение И-створка (створка 5). В результате предотвращается возможность входа дополнительной порции Na+ при возврате канала в состояние готовности. Пока И-створки Ма+-каналов не открылись, генерация новых ПД невозможна. Это состояние называют абсолютной рефрактерностъю, по длительности оно практически совпадает с длительностью ПД. Наличие абсолютной рефрак- терности не позволяет отдельным ПД накладываться друг на друга и ограничивает максимальную частоту разрядов нервных клеток величиной 500—700 Гц (реже— до 1000 Гц). Вслед за стадией абсолютной рефрактерности наступает относительная рефрактерность: лишь часть На+-каналов вернулась в состояние готовности, еще не закрыты все потенци- ал-зависимые К+-каналы. В таких условиях запуск ПД возможен, но только под действием более мощного стимула.
Интересным вариантом генерации ПД являются пейсмекер- ные нейроны (клетки-пейсмекеры). Они обладают большой постоянной проницаемостью мембраны для ионов Na+. В результате у клеток-пейсмекеров не существует стабильного ПП. Разность потенциалов на их мембране постоянно стремится вверх. Когда она достигает порогового значения, происходит запуск ПД. После ПД заряд внутри клетки оказывается на довольно
Рис. 3.12. Изменение разности потенциалов на мембране пейсме- керного нейрона
низком уровне, ПП вновь растет и запускается следующий ПД, в целом же наблюдается ритмический рисунок разрядов (рис. 3.12). Рост заряда 1 внутри клетки, связанный с большим током утечки Na+, приводит к периодической самопроизвольной генерации потенциалов действия. Нейроны-пейсмекеры находятся в дыхательном центре продолговатого мозга, сходные же свойства имеют клетки центра сердечного автоматизма.
Существуют химические соединения — специфические блокаторы потенциал-зависимых Ма+-каналов. Введение любого из этих препаратов блокирует вход ионов Na+ и прекращает генерацию потенциалов действия. Наиболее известный блокатор — тетродотоксин, яд рыбы-собаки (иглобрюха), обладающий очень высокой активностью. Признаками отравления являются быстрое понижение тонуса сосудов (расслабление гладких мышц в их стенках), угнетение дыхания, паралич скелетной мускулатуры.
Часть молекулы тетродотоксина входит в устье потенциалзависимого Ма+-канала и застревает в нем. В результате возникает хорошо подогнанная «пробка» и ПД не развивается. Тетродотоксин эффективен только при действии с наружной стороны мембраны (рис. 3.13).
Особая группа фармакологических препаратов — местные анестетики: используется для предотвращения генерации и распространения ПД в периферических нервах. Это позволяет устранить локальные болевые ощущения. Молекулы местных анестетиков (новокаин, лидокаин) слишком велики, чтобы войти в Ка+-канал снаружи; они перекрывают его, проникнув изнутри клетки либо предварительно растворившись в липидной мембране.
С внутренней стороны канала действуют также блокаторы И-створки. Примером может служить батрахотоксин, яд лягушек-листолазов. Он резко увеличивает проницаемость
Рис. 3.13. Схема взаимодействия специфических блокаторов потен- циал-зависимых каналов: 1 — мембрана нейрона; 2 — тетродо- токсин; 3 — область А-створки; 4 — местный анастетик; 5 — И-створка; 6 — батра- хотоксин
мембран для ионов Na1, приводя к их деполяризации и нарушению сердечной проводимости.
Тетраэтиламмоний способен блокировать потенциал-зави- симые К+-каналы. В его присутствии наблюдается резкое удлинение нисходящей фазы ПД. В результате возрастает и суммарная длительность потенциала действия.
В настоящее время известен не один, а несколько типов по- тенциал-зависимых NaT- и К+-каналов. Они различаются порогами срабатывания, а также скоростью открытия и закрытия. Кроме того, в суммарные ионные токи, возникающие при развитии ПД, значительный вклад вносят ионы Са2+. Существуют специфические потенциал-зависимые каналы, через которые Са2+ входит в клетку; при этом он выполняет две функции: как положительно заряженный ион деполяризует мембрану и как химический агент влияет на работу других ионных каналов, ферментов, рецепторов.
Важно также то, что всякий ПД уменьшает существующую разность концентраций ионов Na+ и К+ внутри и снаружи клетки. Если заставить нейрон генерировать ПД с максимальной частотой, то уже через несколько тысяч импульсов за счет выхода К* и входа Na^ общий заряд цитоплазмы существенно приблизится к нулю. В результате И-створки Ма+-кана- лов не смогут открыться в конце нисходящей фазы ПД и потенциалы действия прекратятся. Теперь для восстановления работоспособности необходим отдых, и тогда Na+, К+-насосы вернут разность потенциалов к уровню ПП. Для реальных режимов деятельности ЦНС подобные ситуации нетипичны: «рабочая» частота нейронов редко превышает 50—70 Гц, причем интервалы активации невелики (десятые доли секунды). Однако в
случае электрошока или эпилептического припадка временное выключение импульсной активности нервных клеток весьма характерно.
ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ ПО НЕЙРОНУ
Запуск импульсной активности в нервной системе осуществляют два основных фактора. Первый из них — стимулы, действующие на чувствительные клетки сенсорных систем и изменяющие проницаемость их мембраны. Это приводит к развитию особых рецепторных потенциалов и в итоге — к генерации ПД.
Второй фактор — выделение медиатора из пресинаптиче- ского окончания. Попав в синаптическую щель, медиатор воздействует на постсинаптическую мембрану, возбуждая или тормозя следующий нейрон.
Процессы подобного возбуждения или торможения связаны с деятельностью еще одного типа ионных каналов — ли- ганд-зависимых (хемочувствительных). Они находятся на мембране, непосредственно окружающей синаптический контакт. Обычно они закрыты. Их открывание происходит лишь при появлении медиатора, несущего сигнал химического вещества (отсюда термин «хемочувствительные»).
Лиганд-зависимые каналы можно разделить на три основных класса: избирательно проницаемые по отношению к ионам Na+, ионам К+ и ионам СГ. Отрывание первых из них приведет к входу в клетку ионов Na+ и деполяризации нейрона (рис. 3.14, а), во время которой разность потенциалов на мембране оказывается приближенной к порогу запуска ПД. В этот момент меньший, чем обычно, стимул может вызвать реакцию нейрона, т. е. нервная клетка находится в относительно возбужденном состоянии. В связи с этим локальная деполяризация мембраны под действием медиатора была названа возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП). Медиаторы, вызывающие ВПСП, отнесены к группе возбуждающих медиаторов.
Открывание хемочувствительных С1_-каналов приводит к входу в клетку ионов хлора; открывание К+-каналов — к выходу ионов калия. В этих случаях возникает гиперполяриза-
ция и разность потенциалов на мембране нейрона увеличивается по абсолютной величине (рис. 3.14, б), поэтому для запуска ПД необходим больший, чем обычно, стимул. Следовательно, нервная клетка находится в относительно заторможенном состоянии. В связи с этим локальная гиперполяризация мембраны под действием медиатора была названа тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП). Медиаторы, вызывающие ТПСП, отнесены к группе тормозных медиаторов.
Усредненные параметры ВПСП и ТПСП весьма близки (рис. 3.14). Их длительность составляет обычно около Юме (иногда 50—100 мс), что существенно больше, чем в случае ПД. Амплитуда ВПСП и ТПСП определяется длительностью и крутизной наклона их первой фазы, которая зависит от количества и длительности существования медиатора в синаптической щели. Амплитуда одиночных постсинаптических потенциалов в ЦНС составляет 1—5 мВ. В крупном нервно-мышечном синапсе аналог ВПСП — потенциал концевой пластинки, может достигать 40 и более мВ.
При детальном анализе сигнала можно видеть, что первые фазы ВПСП и ТПСП имеют ступенчатый характер, т. е. нарастают дискретно, шагами (квантами). Такая дискретность связана с тем, что выброс медиатора в синаптическую щель так-
же идет квантами, где квант — одна везикула. В каждой везикуле содержится несколько тысяч молекул медиатора, и их воздействие на постсинаптическую мембрану вызывает сдвиг потенциала примерно на 0,1 мВ.
В подавляющем большинстве случаев (кроме потенциала концевой пластинки) одиночный ВПСП не способен запустить ПД, так как возбуждение, вызываемое медиатором, не дорастает до порогового уровня. Для достижения порога запуска ПД необходима суммация (наложение) нескольких ВПСП.
Выделяют два варианта суммации — временную и пространственную. Временная суммация — объединение эффектов стимулов, пришедших по одному «каналу» с большой частотой (рис. 3.15): если к еще не угасшему ВПСП присоединить второй, затем третий и т. д., — возникнет реальная возможность запустить ПД. Это означает, что сигнал, достигший синапса, достаточно интенсивен и «заслуживает» того, чтобы быть переданным дальше по сети нейронов.
Порог запуска ПДПорог запуска ПДОдиночная стимуляцияОдиночная стимуляцияВремя, мсВремя, мсмВ
Порог запуска ПД
Порог запуска ПД
Одиночная стимуляция
Одиночная стимуляция
Время, мс
Время, мс
Рис. 3.15. Схема временной суммации ВПСП, возникающих при повторной стимуляции синапса, выделяющего возбуждающий медиатор
Рис. 3.16. Схема пространственной суммации ВПСП в результате одновременного срабатывания синапсов 1 — 3
Пространственная суммация заключается в наложении друг на друга ВПСП соседних синапсов 1 —3 в некоторой близлежащей точке постсинаптической мембраны 4 (рис. 3.16), обладающей потенциал-зависимыми ионными каналами. Схема пространственной суммации напоминает логическую ячейку по типу «И», т. е. результат положительный, если несколько условий будут выполнены (несколько входных сигналов одновременно достигнут нервной клетки).
В ходе деятельности нейронов эффекты пространственной и временной суммации объединяются, и чем больше синапсов участвуют в этом процессе (срабатывают относительно одномоментно), тем больше вероятность достичь порога запуска ПД. При этом часть синапсов может обладать тормозными свойствами и вызывать ТПСП, вычитающиеся из суммы возбуждающих влияний. В результате в первом приближении условие запуска ПД в каждый момент времени можно определить следующим образом:
ПП + (сумма всех ВПСП) - (сумма всех ТПСП) > порогзапуска ПД
Оценить вклад конкретных постсинаптических потенциалов в этот процесс непросто. Дело в том, что их влияние быстро затухает по мере удаления от места возникновения. Кроме
того, затухание в отростках происходит быстрее, чем в теле нейрона, а также тем быстрее, чем тоньше отросток. И наконец, мембрана нейрона в разных местах имеет разную возбудимость. Она максимальна в аксональном холмике (место отхождения аксона от тела) и в местах первого ветвления крупных дендритов. В итоге оказывается, что чем ближе конкретный синапс к этим точкам, тем больше его вклад в управление генерацией ПД. Одного ТПСП, возникшего рядом с аксональным холмиком, может оказаться достаточно для прекращения проведения сигнала (логическая ячейка по типу «НЕ»).
Процесс суммирования ВПСП и ТПСП, возникших в разных синапсах, является основной вычислительной операцией, протекающей на нейронах ЦНС. При ее реализации сигналы имеют возможность «подтвердить» свою значимость, могут объединиться с другими сигналами и сформировать некоторый «информационный образ», могут быть заблокированы (при наличии определенных условий — сигналов по тормозным каналам). В связи с этим способность ЦНС выполнять сложные вычислительные операции определяется не ее общим весом и даже не числом нейронов, а именно количеством синапсов. По мере развития мозг способен формировать дополнительные синапсы, увеличивая свои потенциальные возможности. Особенно интенсивно этот процесс идет в раннем детстве, когда нервная система настраивается на предстоящий уровень информационной нагрузки. '
Если ПД возник в некоторой точке 1 мембраны (рис. 3.17, а), он начинает выполнять функцию запускающего стимула по отношению к соседним областям. При этом ток натрия, формирующий первую фазу ПД, оказывает действие, аналогичное влиянию деполяризующего электрического стимула. В результате потенциал-зависимые ионные каналы на еще не активированной мембране начинают открываться, и ПД делает первый шаг. Развившись в точке 2, ПД запускает возбуждение в точке 3 и т. д. Этот процесс можно уподобить волне, расходящейся по воде от места падения камня.
В ходе этого распространения фронт ПД движется от точки возникновения в разные стороны без «возвратов» назад, так как только что сработавшая мембрана приходит в состояние абсолютной рефрактерности. В каждый момент времени она может проводить сигнал только в одном направлении, и повторное проведение возможно лишь после возврата потенци- ал-зависимых каналов в состояние готовности.
Рис. 3.17. Схемы распространения ПД по нервным клеткам: а — общая схема; б— распространение ПД по неми- елинизированному (безмякотному) волокну (1, 2, 3, 4 — участки мембраны нейрона); в — распространение ПД по миелинизированному волокну
Необходимость открывания ионных каналов на последовательных участках мембраны делает проведение ПД весьма медленным — около 0,5—1 м/с (рис. 3.17, б), при этом ширина одномоментно активированной зоны (фронт ПД) составляет примерно 1 мм.
Скорость распространения можно увеличить, делая нервные волокна более толстыми: в гигантском аксоне кальмара при толщине 1 мм она достигает 10 м/с. Другой путь — формирование миелиновых оболочек. В этом случае очередным
возбужденным участком при проведении ПД будет не соседняя точка мембраны, а ближайший перехват Ранвье. В результате импульс будет распространяться прыжками ^салыпа- пгорно; рис. 3.17, в), развиваясь только на участках аксона, не закрытых Шванновскими клетками. Ширина таких участков — 0,5 мкм (против 1 мм для миелинового сегмента). Скорость «прыжка» определяется толщиной миелиновой оболочки. При общем диаметре волокна 1 мкм она составляет 3 м/с, при максимальном диаметре 22 мкм — 120 м/с. Кроме резкого увеличения скорости проведения, сальтаторный вариант является очень экономичным, поскольку изменения ионного баланса в результате ПД происходят только в зоне перехватов.
Скорость, близкая к 100 м/с, характерна для передачи кожной и мышечной чувствительности, двигательных команд. Именно задержки, возникающие при такой передаче, определяют латентный (скрытый) период простых сенсомоторных реакций. Он составляет около 20 мс, что соответствует ♦длине пути» нервного импульса — около 2 м (по руке к спинному мозгу и обратно).
Конечной целью бегущего по нерву ПД являются пресинап- тические окончания, где электрический сигнал превращается в химический, и скачок потенциала на мембране запускает выделение медиатора, т. е. пока сигнал остается в «границах» одного нейрона, он передается в электрической форме (ПД). Для передачи между нейронами информация преобразуется в химическую форму (медиатор). Подействовав на постсинаптическую мембрану, медиатор вновь переводит сигнал в электрическую форму (ВПСП, ТПСП, запуск ПД). Все это свидетельствует о тесном взаимодействии электрических и химических процессов в ходе реализации различных функций мозга.
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ МЕДИАТОРОВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
Жизненный цикл медиаторов нервной системы включает следующие «стандарные» стадии: синтез, загрузку в везикулы и транспорт в пресинаптическое окончание; выделение в синаптическую щель; связывание с рецептором на постсинаптической мембране; инактивацию.
Образование медиатора часто происходит непосредственно в пресинаптическом окончании. Это возможно тогда, когда процесс синтеза является химически относительно простым (осу-
ществляется в 1—2 стадии) и не требует каких-либо труднодоступных предшественников. Если эти условия не выполняются, образование медиатора идет в теле нейрона (рис. 3.18). Это наиболее характерно для пептидных медиаторов, возникающих в результате «вырезания» из более крупных белковых молекул.
С синтезом каждого конкретного медиатора связаны специфические ферменты, осуществляющие соответствующие реакции. От их количества и активности в конечном счете зависит активность медиаторной системы. Другой важный фактор — наличие молекул-предшественниц. В этом случае дефицит медиаторов, образуемых из незаменимых веществ (тех, которые можно получить только с едой), может иметь пищевое происхождение.
Синтезированные в теле нейрона молекулы медиатора переносятся сначала в ЭПС, а затем в комплекс Гольджи, который обеспечивает экзоцитоз медиаторов, предварительно упаковывая их в мембранные пузырьки-везикулы. Размер пузырьков и количество в них молекул медиатора стабильны в каждом конкретном нейроне.
Рис. 3.18. Синтез медиатора: а — в теле нейрона; б — в пресинаптиче- ском окончании; 1 — ядро клетки; 2 — ЭПС; 3 — везикулы с медиатором; 4 — молекулы медиатора; 5 — комплекс Гольджи; 6 — пустые везикулы
Образовавшиеся везикулы переносятся в пресинаптиче- ские окончания. Ключевую роль в этом процессе играют направляющие микротрубочки. Пузырьки с медиатором движутся по этим «рельсам» с помощью механизмов, сходных с работой сократимых мышечных белков. Скорость такого транспорта довольно велика — до нескольких см/ч.
В случае, когда медиатор синтезируется сразу в пресинапти- ческом окончании, комплекс Гольджи способен формировать пустые везикулы, которые аналогичным образом переносятся по аксону. Заполнение таких пузырьков медиатором осуществляется непосредственно в пресинаптическом окончании (за счет работы специальных молекулярных насосов (рис. 3.18, б)).
Везикулы — это не только удобная форма транспорта веществ, но и способ упорядочить, сделать количественно стабильным выброс медиатора в синаптическую щель. Число скапливающихся в пресинаптическом окончании везикул измеряется десятками тысяч, что также стабилизирует процессы передачи сигналов; истощение запасов медиатора даже при интенсивном проведении информации происходит весьма редко (обычно на фоне действия специальных фармакологических агентов).
Каждый нейрон производит только один основной медиатор (ацетилхолин, дофамин и т. п.). Однако нередко можно обнаружить присутствие в пресинаптическом окончании и других веществ, способных к передаче нервных сигналов. Это комедиаторы (например, пептиды); они обнаруживаются в очень небольших количествах и обычно находятся в везикулах, отличающихся по форме и размеру от пузырьков с основным медиатором.
Выброс содержимого везикул запускается в момент прихода в пресинаптическое окончание потенциала действия и реализуется в несколько этапов. Первый из них заключается в открытии потенциал зависимых Са2+-каналов, которые расположены на «внешней» мембране пресинаптического окончания и открываются при его деполяризации в момент прихода ПД (рис. 3.19). В результате наблюдается вход в клетку определенной порции ионов Са2+, и их содержание внутри окончания возрастает в 10—100 раз. Чем выше концентрация Са2+ во внешней среде, тем больше число вошедших ионов; через эти же каналы способны проникать ионы Mg2+, конкурируя с кальцием. Следовательно, появление в межклеточной среде магния уменьшает итоговое число вошедшего в окончание кальция.
Основное назначение ионов Са2+ в пресинаптическом окончании — это воздействие на сложный белковый комплекс, встроенный в мембрану везикул. Этот комплекс включает белки, ответственные за фиксацию пузырька в цитоплазме и за его контакт с пресинаптической мембраной. Под действием Са2+ (для этого нужно четыре иона) везикула приходит в движение. Достигая пресинаптической мембраны, пузырек «слипается» с ней, в результате чего медиатор попадает в синаптическую щель. Весь этот процесс протекает очень быстро — в течение 1—5 мс, а примерно через 10 с можно наблюдать процесс восстановления везикул: они отделяются от мембраны и возвращаются в пресинаптическое окончание. В дальнейшем эти пустые пузырьки могут быть вновь заполнены медиатором.
Запустить выброс содержимого везикул чрезвычайно важно, но не менее важно быстро остановить этот процесс. Только
Рис. 3.19. Основные этапы выброса медиатора из пресинап- тического окончания: 1 — потенциал действия, открывающий Са2+-каналы; 2 — вход ионов Са2+ в пресинаптическое окончание; 3 — ионы Са2+, соединяющиеся с мембраной везикул; 4 — везикулы; 5 — взаимодействие везикулы с мембраной и выброс медиатора в синаптическую щель; 6 — снижение концентрации ионов Са2+ в синаптическом окончании; 7 — митохондрия; 8 — ЭПС; о — ионы Са2+, * — медиатор
в этом случае возможно точное соответствие между числом пришедших в пресинаптическое окончание ПД и количеством выделившегося медиатора. Функцию остановки выброса выполняют особые молекулярные насосы, удаляющие ионы Са2+ из цитоплазмы окончания. Такие насосы находятся на мембранах каналов ЭПС и митохондрий. Перенося кальций внутрь этих органоидов, они прекращают его действие на везикулы.
Отравление Са2+-насосов ведет к гиперактивности синапса, продолжающейся до полного истощения запасов медиатора. Аналогичное действие оказывают токсины, блокирующие по- тенциал-зависимые Са2+-каналы в открытом положении.
Токсин ботулиновой бактерии (ботулотоксин) известен как соединение, вызывающее тяжелейшие пищевые отравления. Проникая в синапс, он блокирует белки, отвечающие за контакт везикулы с пресинаптической мембраной, в результате чего прекращается всякая передача нервного сигнала, развиваются параличи.
Попав в синаптическую щель, медиатор менее чем за 1 мс вступает во взаимодействие с пресинаптической мембраной, соединяясь с встроенными в нее специализированными белковыми рецепторами. Пространственная организация рецептора предусматривает существование у него активного центра — углубления в белковом клубке, имеющего определенную форму и распределение зарядов. Ему строго соответствует пространственная конфигурация медиатора и распределение зарядов на его молекуле. В результате активный центр рецептора и медиатор способны формировать комплекс. Непосредственным следствием этого является возбуждение рецептора, а затем — развитие постсинаптических потенциалов и запуск ПД.
Выделяют два типа рецепторов — ионотропные и метаботропные.
Возбуждение метаботропного рецептора выражается в изменении внутриклеточного метаболизма, т. е. течения биохимических реакций. С внутренней стороны мембраны к такому рецептору присоединен целый ряд других белков, выполняющих ферментативные и частью передающие (♦посреднические») функции (рис. 3.20). Белки-посредники относятся к G-белкам. Под влиянием возбужденного рецептора G-белок воздействует на белок-фермент, обычно переводя его в ♦рабочее» состояние. В результате запускается химическая реакция: молекула-предшественник превращается в сигнальную молекулу — вторичный посредник.
Рис. 3.20. Схема строения и функционирования метаботропного рецептора: 1 — медиатор; 2 — рецептор; 3 — ионный канал; 4 — вторичный посредник; 5 — фермент; 6 — G-белок; —> — направление передачи сигнала
Вторичные посредники — это мелкие, способные к быстрому перемещению молекулы или ионы, передающие сигнал внутри клетки. Этим они отличаются от «первичных посредников» — медиаторов и гормонов, передающих информацию от клетки к клетке. Наиболее известным вторичным посредником является цАМФ (циклическая аденозинмонофосфорная кислота), образуемая из АТФ с помощью фермента аденилат- циклазы. Похожа на него цГМФ (гуанозинмонофосфорная кислота). Другими важнейшими вторичными посредниками являются инозитолтрифосфат и диацилглицерол, образуемые из компонентов клеточной мембраны под действием фермента фосфолипазы С. Чрезвычайно велика роль Са2+, входящего в клетку снаружи через ионные каналы или высвобождающегося из особых мест хранения внутри клетки («депо» кальция). В последнее время много внимания уделяется вторичному посреднику NO (оксиду азота), который способен передавать сигнал не только внутри клетки, но и между клетками, легко преодолевая мембрану, в том числе от постсинаптического нейрона к пресинаптическому.
Заключительный шаг в проведении химического сигнала — воздействие вторичного посредника на хемочувствительный ионный канал. Это воздействие протекает либо непосредственно, либо через дополнительные промежуточные звенья (ферменты). В любом случае происходит открытие ионного канала и развитие ВПСП либо ТПСП. Продолжительность и амплитуда их первой фазы будет определяться количеством вторичного посредника, которое зависит от количества выделившегося медиатора и длительности его взаимодействия с рецептором.
Таким образом, механизм передачи нервного стимула, используемый метаботропными рецепторами, включает в себя несколько последовательных этапов. На каждом из них возможна регуляция (ослабление либо усиление) сигнала, что делает реакцию постсинаптической клетки более гибкой и адаптированной к текущим условиям. Вместе с тем это же приводит к замедлению процесса передачи информации. Вот почему в ходе эволюции возникла потребность в более быстром пути проведения сигналов, в результате чего появились ионотропные рецепторы.
В случае ионотропного рецептора чувствительная молекула содержит не только активный центр для связывания медиатора, но также ионный канал (рис. 3.21). Воздействие ♦первичного посредника» на рецептор приводит к быстрому открыванию канала и развитию постсинаптического потенциала.
Рис. 3.22. Пути инактивации медиатора в синапсе
Инактивация — заключительный этап жизненного цикла медиатора. Смысл этой стадии состоит в прекращении его действия на рецептор (прерывание передачи сигнала). Процессы инактивации медиатора реализуются при участии специализированных ферментов и транспортных белков (рис. 3.22).
В более простом случае инактивация осуществляется прямо в синаптической щели, когда фермент 2 быстро разрушает все свободно «плавающие» молекулы медиатора. Кроме этого, медиатор может быть удален с активных центров постсинаптических рецепторов 1 еще двумя способами: путем обратного всасывания в пресинаптическое окончание, которое осуществляется особыми белками-насосами 3 и путем всасывания в глиальные клетки, которое также происходит за счет деятельности белков-насосов 5.
В случае переноса внутрь глиальных клеток медиатор разрушается специализированным ферментом.
В случае возврата в пресинаптическое окончание («обратный захват»') он также может быть разрушен, но может и повторно «загружаться» в пустые везикулы 4. Это позволяет наиболее экономно расходовать те медиаторы, синтез которых связан с определенными проблемами (недостаток предшественника, длинная цепочка реакций).
Скорость процесса инактивации определяет общее время воздействия медиатора на рецептор, от которого в конечном итоге зависит амплитуда постсинаптических потенциалов, запуск ПД и продолжение проведения сигнала по нейронной сети. При повреждении элементов системы инактивации наблюдается значительное увеличение эффективности синаптиче-
ской передачи, так как выделившийся медиатор существенно дольше воздействует на рецепторы и амплитуда ВПСП либо ТПСП заметно возрастает.
Вещества, влияющие на различные этапы жизненного цикла медиаторов, имеют огромное значение для жизни человека. Именно они образуют группу психотропных препаратов — соединений, влияющих на различные аспекты деятельности мозга: общий уровень активности, память, эмоциональные переживания. При этом наиболее часто используются вещества, изменяющие взаимодействие рецептора и медиатора, а также влияющие на хемочувствительные ионные каналы.
При введении молекул, сходных по структуре с медиатором, наблюдается их соединение с активными центрами соответствующих рецепторов и последующее возбуждение рецепторов (рис. 3.23). Медиатор 1 присоединяется к рецептору 2, что приводит к воздействию на ионный канал 3 (направление воздействия отмечено стрелкой; рис. 3.23, а); агонист 4 присоединяется к рецептору, что также приводит к передаче сигнала на ионный канал (рис. 3.23, б); конкурентный антагонист 5 не позволяет медиатору соединиться с рецептором (отмечено перечеркнутой стрелкой; рис. 3.23, в); неконкурентный антагонист 6 блокирует ионный канал, что также не позволяет
Рис. 3.23. Механизмы деятельности агонистов и антагонистов медиаторов
развиться эффектам медиатора (отмечено перечеркнутой стрелкой; рис. 3.23, г). В результате эффект применяемого препарата оказывается аналогичен действию самого медиатора. Вещества такого рода называют агонистами медиатора, их влияние на синапс нередко оказывается очень длительным и эффективным. Это объясняется тем, что прочность связывания агониста с рецепторами нередко больше, чем у медиатора, а системы инактивации не способны быстро опознать агонист и убрать его из синаптической щели.
В более сложном случае вводимые молекулы лишь частично похожи на медиатор. Тогда, соединяясь с активными центрами рецепторов, они будут их занимать (прекращать к ним доступ медиатора; конкурировать с ним), но не будут возбуждать рецептор. В результате эффект применяемого препарата будет противоположен действию медиатора. Вещества такого рода называют конкурентными антагонистами медиатора. Существует также понятие неконкурентного антагониста (вводимый препарат мешает работе медиатора, блокируя хе- мочувствительные ионные каналы).
Часть агонистов и антагонистов медиаторов являются веществами природного происхождения. Их существование — результат длительных эволюционных процессов, в ходе которых одни живые организмы (особенно растения) «изобретали» вещества, защищающие их от поедания другими организмами. Природными психотропными препаратами являются также яды животных-охотников (змеи, пауки).
Вторая часть агонистов и антагонистов — синтетические соединения, создаваемые человеком. В ходе их разработки химикам и фармакологам приходится учитывать целый ряд требований. Во-первых, в структуре такого вещества должен присутствовать «ключевой» участок, соответствующий молекуле медиатора. Во-вторых, такой препарат должен быть устойчив к действию систем инактивации. В-третьих, он должен проникать через барьеры организма — гематоэнцефалический и желательно кишечный. Только в этом случае можно достичь мозга при системном введении — в виде таблетки либо инъекции. В настоящее время агонисты и антагонисты медиаторов (а также соединения, влияющие на синаптическую передачу другими путями) широко применяются в клинике. Вместе с тем в больших дозах многие из них являются наркотиками и ядами, что также свидетельствует о необходимости их серьезного изучения.
АЦЕТИЛХОЛИН
По химическому строению ацетилхолин представляет собой соединение двух молекул — азотсодержащего холина и остатка уксусной кислоты:
Холин является незаменимым витаминоподобным соединением, получаемым с пищей в достаточном количестве, и последствия его дефицита наблюдаются только в искусственных условиях. Синтез ацетилхолина осуществляется в основном в пресинаптических окончаниях с помощью фермента холина- цетилтрансферазы. Затем медиатор переносится в пустые везикулы и хранится в них до момента выброса.
Ацетилхолин в качестве медиатора работает в трех функциональных блоках нервной системы: в нервно-мышечных синапсах, периферической части вегетативной нервной системы и некоторых областях ЦНС.
Ацетилхолин является медиатором мотонейронов нервной системы, которые расположены в передних рогах серого вещества спинного мозга и двигательных ядрах черепных нервов. Их аксоны направляются к скелетным мышцам и, разветвляясь, образуют нервно-мышечные синапсы. При этом один аксон может устанавливать контакт с сотнями мышечных волокон, но каждое мышечное волокно управляется только одним синапсом. Размер нервно-мышечных синапсов в десятки раз больше, чем синапсов в ЦНС, и пришедший по аксону мотонейрона даже одиночный ПД вызывает выделение значительного ко-
личества ацетилхолина (этап I, рис. 3.24). В результате развивающаяся на постсинаптической мембране деполяризация оказывается настолько велика, что всегда запускает ПД мышечной клетки (//), который приводит к выбросу Са2+ из каналов ЭПС (///), активации двигательных белков и сокращению (7V).
Периферическое звено вегетативной нервной системы состоит из двух нейронов: тело первого (преганглионарного) находится в ЦНС, а аксон направляется к вегетативному ганглию; тело второго (постганглионарного) находится в ганглии, а аксон иннервирует гладкие мышечные или железистые клетки внутренних органов. Ацетилхолин в качестве медиатора вырабатывается во всех преганглионарных клетках, а также в постганглионарных клетках парасимпатической части вегетативной нервной системы (рис. 3.25). Некоторые постганглионарные симпатические волокна (активирующие потовые железы и вызывающие расширение сосудов) также секретируют ацетилхолин.
V'
5
Рис. 3.24. Этапы I—IV работы нервно-мышечного синапса: 1 — везикулы с ацетилхолином; 2 — поперечная трубочка, углубляющаяся в цитоплазму мышечной клетки; 3 — канал ЭПС; 4 — ионы Са2+; 5 — двигательные белки мышечной клетки; 6 — никотиновый рецептор; 7 — пресинапти- ческоеокончание
В ЦНС ацетилхолин вырабатывается частью нейронов ретикулярных ядер моста и интернейронами полосатого тела базальных ганглиев и некоторых других локальных зон. Рассматривается роль этого медиатора в регуляции уровня бодрствования, а также в системах памяти, двигательных системах. Доказана эффективность применения антагонистов ацетилхолина при ряде двигательных нарушений.
Выделяясь из пресинаптического окончания, ацетилхолин действует на постсинаптические рецепторы. Эти рецепторы неоднородны и различаются локализацией и рядом свойств. Выделено два типа рецепторов (рис. 3.26): первый, помимо ацетилхолина, возбуждается под действием алкалоида табака никотина (никотиновые рецепторы), второй тип активируется ацетилхолином и токсином мухомора мускарином (мускариновые рецепторы).
Никотиновые рецепторы являются классическим примером ионотропных рецепторов: их ионный канал входит в состав рецептора и открывается сразу после присоединения аце-
Рис. 3.25. Схема распределения медиаторов в периферической нервной системе: 1 — нейроны ЦНС, образующие двигательные нервы (мотонейроны); 2 — нейроны ЦНС, образующие преганглионарные волокна парасимпатической нервной системы; 3 — нейроны ЦНС, входящие в состав симпатической нервной системы (три варианта строения); 4 — мышца; 5 — орган (парасимпатическая система); 6 — орган (симпатическая система); 7 — надпочечник (симпатическая система); 8 — потовая железа (расширение сосудов, симпатическая система); м, н — мускариновые и никотиновые рецепторы; О — нейроны, вырабатывающие ацетилхолин; • — нейроны, вырабатывающие норадреналин
тилхолина. Канал этот характеризуется универсальной проницаемостью для положительно заряженных ионов, но в обычных условиях (при открытии на фоне ПП) в связи с никотиновыми рецепторами наблюдается в основном входящий Na+-TOK, вызывающий деполяризацию мембраны и возбуждение нейрона.
Никотиновые рецептры расположены на постсинаптической мембране поперечно-полосатых волокон скелетных мышц (нервно-мышечные синапсы); в синапсах вегетативных ганглиев и в меньшем количестве, чем мускариновые рецепторы, в ЦНС. Областью, наиболее чувствительной к никотину, являются вегетативные ганглии, поэтому первые попытки курения приводят к значительным нарушениям в деятельнос-
Рис. 3.26. Схемы никотинового (а) и мускаринового (б) рецепторов к ацетилхолину Ацх: 1 — рецептор; 2 — фермент; 3 — G-белок; 4 — вторичный посредник; 5 — ионный канал; * — место сужения (створка) ионного канала
ти органов: скачкам артериального давления, тошноте, головокружению. По мере привыкания сохраняется в основном симпатический компонент действия: никотин начинает работать преимущественно как стимулятор многих систем организма. Присутствует также и центральное активирующее влияние (на головной мозг) ацетилхолина. Сверхдозы никотина (50 и более мг) вызывают резкое учащение сердцебиения, судороги и остановку дыхания.
Во время курения никотин действует как слабый наркотический препарат-стимулятор, вызывая развитие не только привыкания, но и зависимости. Наркотическая зависимость — это ситуация, когда организм включает поступающий извне препарат в свой метаболизм, т. е. начинает «рассчитывать» на его постоянный приток. При отказе от препарата происходит сбой в использующих его системах мозга: наблюдается резкое ухудшение самочувствия, депрессия (абстинентный синдром или синдром отмены). Человеку, попавшему в зависимость, наркотик необходим уже не столько для того, чтобы почувствовать бодрость и эйфорию, сколько для возврата хотя бы к относительно нормальному уровню жизнедеятельности.
Наиболее известным антагонистом никотиновых рецепторов является тубокурарин — активное действующее начало яда некоторых южноамериканских растений. Основным «местом приложения» его влияния являются нервно-мышечные синапсы (рис. 3.27, вариант I). При этом происходит последовательное расслабление и паралич мышц пальцев, затем глаз, рук и ног, шеи, спины и, наконец, дыхательных.
Мускариновые рецепторы являются метаботропными (рис. 3.26, б); они связаны с G-белками, и присоединение к ним ацетилхолина приводит к синтезу вторичных посредников.
Выделяют две основные локализации мускариновых рецепторов: синапсы, образуемые постганглионарными (в основном парасимпатическими) вегетативными волокнами и ЦНС. В первом случае в качестве вторичных посредников используются инозитолтрифосфат и диацилглицерол; во втором — цГМФ. Ионные последствия возбуждения мускариновых рецепторов весьма разнообразны: в сердце наблюдается увеличение проводимости для ионов К+, что приводит к гиперполяризации и снижению частоты сокращений; в гладких мышцах отмечаются изменения проводимости как для К+, так и для Na+ (возможна гипер- или деполяризация в зависимости от конкретного органа).
В ЦНС отмечается снижение проницаемости мембраны для К+ (деполяризация; возбуждающее действие), но синапсы, содержащие мускариновые рецепторы, могут располагаться как на тормозных, так и на возбуждающих нейронах коры и базальных ганглиев. В связи с этим последствия блокады либо активации мускариновых рецепторов на поведенческом уровне оказываются очень индивидуальны; их выраженность и направленность зависит от конкретной химической структуры того или иного препарата.
Эффекты мускарина носят преимущественно парасимпатический характер: при отравлении мухоморами наблюдается тошнота, повышенное пото- и слюноотделение, слезотечение, боли в животе, снижение артериального давления и сердечной активности.
IV А I I .,*—IV А I I .,*—223Рис. 3.27. Варианты /—IV воздействия3Рис. 3.27. Варианты /—IV воздействияVilVilКлассическим антагонистом мускариновых рецепторов является атропин — токсин белены и дурмана. Его периферические эффекты прямо противоположны действию мускарина: происходит снижение тонуса мышц желудочно-кишечного тракта, учащается сердцебиение, прекращается слюноотделение (сухость во рту), расширяются зрачки, наблюдаются и центральные эффекты (двигательное и речевое возбуждение, галлюцинации).
IV А I I .,*—
IV А I I .,*—
2
2
3
Рис. 3.27. Варианты /—IV воздействия
3
Рис. 3.27. Варианты /—IV воздействия
Vil
Vil
на работу нервно-мышечного синапса: I — на никотиновый рецептор (тубокурарин); II — на ацетилхолинэстеразу (прозерин); III — на выделение ацетилхолина (бета-нейротоксин); IV — путем выработки антител к никотиновому рецептору; 1 — везикулы с ацетилхолином; 2 — ацетилхолинэстераза;
3 — никотиновый рецептор
Инактивация ацетилхолина происходит непосредственно в синаптической щели. Ее осуществляет фермент ацетилхоли- нэстераза, разлагающий медиатор до холина и остатка уксусной кислоты, затем холин всасывается в пресинаптическое окончание и может вновь использоваться для синтеза ацетилхолина.
Ацетилхолинэстераза имеет активный центр, узнающий холин, и один активный центр, «отрывающий» ацетильную группу от исходной молекулы. Последний часто является местом атаки специфических блокаторов (рис. 3.27, вариант 77).
Примером подобного блокатора служит прозерин (неостиг- мин), применяемый при миастении, которая встречается примерно у трех человек на тысячу (чаще у женщин). Симптомами заболевания служат быстрая мышечная утомляемость, непроизвольное опускание век, замедленное жевание. Такие больные очень чувствительны к тубокурарину, а введение блокаторов ацетилхолинэстеразы ослабляет патологические проявления. В настоящее время известно, что у значительной части больных миастенией число никотиновых рецепторов примерно на 70% меньше, чем в норме. Причина этого состоит в том, что иммунная система больного вырабатывает антитела на никотиновые рецепторы. Эти антитела ускоряют разрушение рецепторов на мембране, ослабляя передачу в нервно-мышечном синапсе (рис. 3.27, вариант 7V).
Прозерин и сходные с ним препараты называют обратимыми блокаторами ацетилхолинэстеразы, их действие прекращается через несколько часов после введения, кроме того, существуют необратимые блокаторы того же фермента. В этом случае вещество, нарушающее работу ацетилхолинэстеразы, вступает с белком в устойчивую химическую связь и выводит его из строя. Таким образом действуют фосфорорганические соединения, применяемые как препараты против насекомых (инсектициды): хлорофос, тиофос и сходные с ними соединения могут вызвать у человека сужение зрачков, потливость, снижение артериального давления, подергивания мышц.
Еще более сильными агентами-блокаторами являются различные нервно-паралитические газы (зарин): легко проникая через все барьеры организма, они вызывают судороги, потерю сознания и паралич. Смерть наступает от остановки дыхания. Для немедленного ослабления эффектов отравляющих газов рекомендуется использование атропина; для восстановления деятельности ацетилхолинэстеразы — особые вещества-реактиваторы, «отрывающие» блокатор от фермента.
Другим примером разрушительного действия на ацетилхо- линергический (использующий ацетилхолин в качестве медиатора) синапс являются нейротоксины змей. Например, яд кобры содержит альфа-нейротоксин, необратимо связывающийся с никотиновым рецептором и блокирующий его, а также бета-нейротоксин, который тормозит выделение медиатора из пресинаптического окончания (рис. 3.27, варианты I, III).
НОРАДРЕНАЛИН
Медиатор норадреналин относится к катехоламинам — производным аминокислоты тирозина. Тирозин — одна из незаменимых аминокислот, которые мы получаем только с пищей. Цепочка химических превращений, ведущая к последовательному образованию трех катехоламинов — дофамина, норадреналина и адреналина, представлена ниже:
Рис. 3.28. Схема распределения в головном мозге нейронов, вырабатывающих норадреналин: 1 — голубое пятно моста; 2 — межножковое ядро среднего мозга; 3 — распределение аксонов по ЦНС
Ключевая и наиболее медленная стадия — превращение тирозина в L-ДОФА (диоксифенилаланин), где особое значение имеет регулирующий фермент тирозингидроксилаза.
Адреналин является гормоном надпочечников, а дофамин — медиатором ЦНС. Норадреналин играет важную роль в центральной и периферической нервной системе.
На периферии норадреналин является медиатором большинства постганглионарных симпатических синапсов. Воздействуя на внутренние органы, он конкурирует с эффектами ацетилхолина. В ЦНС норадреналин вырабатывается нейронами голубого пятна (мост) и межножкового ядра (средний мозг). Аксоны клеток этих небольших ядер в дальнейшем можно встретить в различных структурах головного и спинного мозга (рис. 3.28).
Синтез норадреналина осуществляется в пресинаптиче- ских окончаниях, затем он переносится в пустые везикулы и хранится до момента выброса. Выделяясь в синаптическую щель, норадреналин действует на постсинаптические рецепторы, которые неоднородны и подразделяются на два типа — альфа- и бета-адренорецепторы. Оба они являются метаботропными, но разница состоит в том, что альфа-адренорецепторы в качестве вторичных посредников используют инозитолтрифосфат (ИТФ), диацилглицерол (ДАТ) и ионы Са2+, а бета-адренорецепторы соединены с ферментом аденилатциклазой, продуцирующей циклический аденозинмонофосфат (цАМФ).
Именно исследование бета-адренорецепторов позволило в свое время выявить существование системы вторичных посредников и описать основные ее свойства. Следствием активации адренорецепторов может быть изменение как натриевой, так и калиевой проводимости (возбуждающие либо тормозящие эффекты в зависимости от конкретного места расположения).
НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВААЛЬФА- И БЕТА-АДРЕНОРЕЦЕПТОРОВНЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВААЛЬФА- И БЕТА-АДРЕНОРЕЦЕПТОРОВКлассическим агонистом альфа-адренорецепторов является препарат фетанол, антагонистом — фентоламин (табл. 3.1). В случае бета-адренорецепторов наиболее известны агонист изадрин и антагонист пропранолол (синонимы — анаприлин, индерал, обзидан).
НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА
АЛЬФА- И БЕТА-АДРЕНОРЕЦЕПТОРОВ
НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА
АЛЬФА- И БЕТА-АДРЕНОРЕЦЕПТОРОВ
Альфа-адренорецепторы
Бета-адренорецепторы
Агонисты
Фетанол, эфедрин, нафтизин
Изадрин,эфедрин
Антагонисты
Фентоламин
Пропранолол
Вторичные посредники
ИТФ, ДАГ, Са2+
цАМФ
Примеры
Сосуды (сужение),
Бронхи
локализации
ЖКТ, ЦНС
(расширение), сердце, ЖКТ, ЦНС
Токсины,
Токсины коклюша
повреждающие G-белки
и холеры
Таблица 3.1
В случае симпатической нервной системы на каждом внутреннем органе можно встретить альфа- или бета-адренорецепторы либо оба их типа. Альфа-рецепторы имеют большинство сосудов, которые сужаются под действием норадреналина и агонистов альфа-адренорецепторов, в результате чего повышается артериальное давление. Агонистами альфа-адренорецепторов являются также препараты нафтизин (синоним — сано- рин) и галазолин: при нанесении на слизистую носа они сужают сосуды, прекращая насморк. Фентоламин, напротив, расширяет сосуды и снижает артериальное давление.
Органами, содержащим только бета-адренорецепторы, являются сердечная мышца и гладкие мышцы бронхов: норадреналин и изадрин стимулируют деятельность сердца и расширяют бронхи (последний эффект используется для ослабления приступов бронхиальной астмы). С другой стороны, пропранолол является эффективным средством для лечения заболеваний, связанных с нарушениями сердечного ритма и гипертонической болезнью.
Кратко перечислим влияния вегетативной нервной системы на некоторые другие органы. Работа желудочно-кишечного тракта усиливается под действием парасимпатической системы и ослабляется под действием симпатической (участвуют альфа- и бета-адренорецепторы). Сфинктеры (запирающие мышцы) кишечника и мочевого пузыря под влиянием симпатической нервной системы сокращаются (альфа-адренорецепторы). Выделение секрета слезных, слюнных и пищеварительных желез зависит в основном от парасимпатической нервной системы и очень слабо — от симпатической. Потоотделение управляется симпатической системой, но за счет постганглионарного выделения ацетилхолина.
Вегетативное действие норадреналина существенно дополняется гормональными эффектами адреналина, который секретируется надпочечниками и влияет на те же типы адренорецепторов. Выброс адреналина вызывается симпатической нервной системой. Следовательно, можно говорить о целостной реакции, которая возникает при стрессе, нагрузке, эмоциях, обусловлена катехоламинами и приводит системы организма в состояние готовности к оптимальному ответу.
Прямое подкожное или внутривенное введение адреналина вызывает активацию как альфа-, так и бета-адренорецепторов (сужение сосудов и рост артериального давления; стимуляция деятельности сердца); введение норадреналина — активацию преимущественно альфа-адренорецепторов (влияет в основном на давление). Внутривенное введение их предшественника дофамина приводит к росту возбуждения симпатических синапсов и используется при острой сердечной и сосудистой недостаточности, шоках и других патологических состояниях. При этом дофамин не проникает через гематоэнцефалический барьер и не влияет на головной мозг, где работает в норме в качестве медиатора.
Норадренергические (вырабатывающие норадреналин в качестве медиатора) нейроны расположены в голубом пятне и межножковом ядре среднего мозга, их аксоны образуют чрез-
вычайно широкую сеть проекций, в результате чего соответствующие синапсы можно обнаружить в большой концентрации в разных отделах ЦНС от спинного до конечного мозга, в том числе в коре мозжечка и больших полушарий (содержат как альфа-, так и бета-адренорецепторы). Перечислим основные группы функций, реализуемых с их участием:
создание определенного уровня активации бодрствующей ЦНС (за счет прежде всего торможения центров сна);
участие в тормозной регуляции сенсорных потоков; обезболивающее (анальгетическое) действие, способное ярко проявляться при сильном стрессе;
регуляция уровня двигательной активности: норадренергические проекции способны ее повышать, выключая тормозные интернейроны в моторных центрах;
участие в регуляции активности различных центров биологических потребностей и мотиваций (снижение уровня тревожности, повышение уровня агрессивности);
влияние на выраженность эмоциональных компонентов поведения: эмоции, возникающие в стрессовых условиях (опасность, значительная умственная и физическая нагрузка), и эмоции, соответствующие таким понятиям, как «азарт», «удовольствие от риска»; в зависимости от индивидуальной организации мозга значимость таких эмоций для конкретного человека может быть разной, но иногда — очень большой;
участие в процессах обучения (запоминания информации), протекающих в корковых зонах ЦНС; в этом случае активность норадренергических проекций регулируется центрами положительного и отрицательного подкрепления мозга; выделение медиатора приводит к долговременным изменениям свойств синапсов в нейронных сетях коры больших полушарий и мозжечка.
Основные функции норадренергической системы показывают, что, практически не участвуя в прямом проведении нервных сигналов, норадреналин способен модулировать потоки информации и регулировать общее состояние ЦНС. Легко представить последствия как избыточной, так и недостаточной активности норадренергической системы: в первом случае мы можем столкнуться с гиперактивностью и психотическими проявлениями, во втором — с апатией, депрессией, ухудшением памяти; в первом случае могут оказаться необходимыми препараты с нейролептическими свойствами, во втором — антидепрессанты.
Обе эти группы препаратов способны влиять на активность норадренергической системы, но ситуация осложняется тем, что в регуляции уровня эмоций и двигательной активности, кроме норадреналина, участвуют и другие медиаторы, в частности, дофамин и серотонин.
Большинство агонистов и антагонистов адренорецепторов являются синтетическими веществами, которые появились в результате работ с химически модифицированными молекулами адреналина и норадреналина. Из природных соединений, влияющих на эту медиаторную систему, известен эфедрин — алкалоид небольшого голосеменного кустарника эфедры, который действует как смешанный агонист альфа- и бета-адренорецепторов. В клинике он используется для повышения артериального давления, расширения бронхов, расширения зрачков, при насморке. При передозировке проявляются центральные эффекты эфедрина — нервное возбуждение, бессонница, дрожание конечностей; в токсических дозах — судороги. Длительное применение эфедрина может вызвать привыкание.
Обнаружено также, что симптомы коклюша и холеры развиваются через периферические адренорецепторы: токсины, вырабатываемые соответствующими микроорганизмами, выключают расслабляющее действие симпатической нервной системы на гладкую мускулатуру бронхов и кишечника. При этом непосредственной «мишенью» токсинов являются связанные с адренорецепторами G-белки и система синтеза вторичных посредников.
В отличие от ацетилхолина, катехоламины мало разлагаются в синаптической щели, а в основном всасываются в пре- синаптическое окончание. Обратный захват норадреналина осуществляется особыми белками-насосами. Попав в преси- наптическое окончание, норадреналин может повторно «загружаться» в везикулы, но может и разлагаться с помощью фермента моноаминоксидазы (МАО). Инактивация происходит внутри митохондрий, на внутренней мембране которых располагается МАО. Чрезвычайно важно, что этот фермент осуществляет разложение и других моноаминов — дофамина и серотонина. Оказалось, что использование блокаторов МАО позволяет повысить активность всех трех медиаторных систем (антидепрессантные эффекты).
Еще одним важным свойством норадренергического синапса является наличие в нем пресинаптических адренорецепторов. Выделяемый в щель медиатор, воздействуя на них,
Рис. 3.29. Схема регуляции деятельности норадренергического синапса: I — везикулы с норадреналином; 2 — постсинаптический рецептор; 3 — белок-насос, осуществляющий обратное всасывание норадреналина; 4 — пресинапти- ческий рецептор, активизирующий тирозингидроксилазу (ТГ); 5 — молекулы норадреналина
тем самым активирует систему вторичных посредников, что приводит к активации тирозингидроксилазы и ускорению синтеза норадреналина (рис. 3.29). Наличие пресинаптиче- ских рецепторов — частое свойство синапсов; они позволяют осуществлять обратную регуляцию активности нервной передачи и увеличивать образование медиатора, если его выброс идет очень активно (как в случае норадреналина), либо, напротив, тормозить этот выброс (влияя на пресинаптические К+-каналы) в целях предохранения синаптической щели от перенасыщения медиатором.
ДОФАМИН
Дофамин относится к катехоламинам. Дофаминергические нейроны встречаются в трех отделах головного мозга: черной субстанции (ее компактной части), покрышке среднего мозга и в различных ядрах гипоталамуса (рис. 3.30). В периферической нервной системе его практически нет.
Нейроны черной субстанции направляют аксоны к конечному мозгу, где образуются синапсы на клетках полосатого те-
Рис. 3.30. Схема распределения в головном мозге нейронов, вырабатывающих дофамин, и распределение их аксонов: 1 — покрышка среднего мозга; 2 — черная субстанция среднего мозга; 3 — кора больших полушарий; 4 — ядра гипоталамуса; 5 — полосатое тело
ла (скорлупа и хвостатое ядро, относящиеся к базальным ганглиям). Функция этих проекций состоит в поддержании общего уровня двигательной активности, обеспечении точности выполнения моторных программ, устранении непроизвольных движений. В случае дегенерации черной субстанции развивается заболевание — паркинсонизм. Его основные симптомы состоят в затрудненном запуске движений (акинезия), патологически усиленном мышечном тонусе (ригидность), дрожании пальцев и головы (тремор). На начальной стадии заболевания преобладает один из симптомов; позже они комбинируются, образуя характерный комплекс двигательных нарушений.
Болезнь обычно прогрессирует в течение 10—20 и более лет. Причины дегенерации могут быть различными: генетические аномалии, образование токсических продуктов окисления дофамина, нарушение функции нейроглии и др. Известно, что риск развития паркинсонизма увеличивается с возрастом, а также в результате различных экстремальных воздействий на ЦНС (механические удары, отравления, клиническая смерть).
Препараты, применяемые для лечения паркинсонизма, не устраняют его причин, а лишь облегчают тяжесть состояния, ослабляют симптоматику. Они делятся на две группы. К первой относятся антагонисты центральных никотиновых и мускариновых рецепторов (например, циклодол и акинетон). Снижая активность ацетилхолинергических интернейронов полосатого тела, они способны значительно ослабить тремор.
Вторая группа препаратов — это L-ДОФА (L-диоксифенилаланин) и его производные (табл. 3.2).
Таблица 3.2 ПСИХОТРОПНЫЕ ПРЕПАРАТЫ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ДОФАМИНЕРГИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ
Препарат
Механизм действия, применение
L-ДОФА Апоморфин Бромкриптин Фенамин, амфетамины Кокаин
Препарат для лечения болезни Паркинсона
Dj -,D2 -агонист
D2 -агонист
Стимуляторы выброса дофамина
Блокатор обратного захвата
Аминазин
Антагонист дофаминовых и норадреналиновых рецепторов, нейролептик
Галоперидол
D2 -антагонист, нейролептик
L-ДОФА является непосредственным предшественником дофамина в цепочке синтеза катехоламинов, а также хорошо проходит гематоэнцефалический барьер. Превращаясь в дофамин непосредственно в базальных ганглиях, он восполняет недостаток медиатора, возникший в результате дегенерации черной субстанции. Влияние препарата распространяется преимущественно на симптомы ригидности и акинезии.
Проекции нейронов покрышки направляются к корковым областям, обонятельной (древней) коре, гиппокампу, ассоциативной лобной, премоторной, моторной, зрительной коре, часть аксонов контактирует с ядрами миндалины. Существование этой системы позволяет на структурном уровне подтвердить участие дофамина в поддержании не только общего уровня бодрствования мозга, но и тонуса высших центров, связанных с сенсорным восприятием, управлением движениями, памятью, эмоциями.
Дофаминергические нейроны гипоталамуса обладают короткими аксонами; они формируют три вида проекций: к субталамическим ядрам, нейроэндокринным зонам и потребност- но-мотивационным центрам гипоталамуса.
В первом случае речь идет о регуляции общей интенсивности Локомоции (т. е. ритмических движений, связанных с перемещениями в пространстве). Именно субталамические ядра отдают команду о начале локомоции, ее ускорении, переходе с шага на бег.
Второй тип проекций подразумевает влияние на уровень активности нейроэндокринных ядер самого гипоталамуса, а также гипофиза. Примером может служить тормозящее влияние дофамина на секрецию гормона пролактина.
Третий тип проекций отвечает за тормозящее влияние дофамина на различные биологически значимые потребности: пищевую, половую, оборонительную. Параллельно могут возникать положительные эмоциональные переживания (действие на центр положительного подкрепления гипоталамуса).
Несмотря на многообразие эффектов (рис. 3.31), наиболее очевидной задачей дофаминергической системы является регуляция двигательных функций. Управление возможно на уровне коры (ассоциативной и моторной), базальных ганглиев, субталамуса. В продолговатом мозге одна из врожденных
Рис. 3.31. Схема эффектов дофаминергической системы в норме и патологии
моторных реакций — рвотный рефлекс также находится под контролем этой медиаторной системы. Эмоции, возникающие при активации дофаминергических синапсов, часто связаны с движениями: удовольствие, получаемое от танца и выполнения сложного спортивного упражнения, чувство гибкости и легкости, радость от снятия усталости.
Синтез дофамина протекает так же, как и норадреналина, но в дофаминергических нейронах цепочка химических превращений тирозина останавливается на одно звено раньше. Далее происходит перенос медиатора в везикулы и выброс в синаптическую щель по мере надобности.
В настоящее время обнаружено пять типов рецепторов к дофамину; все они являются метаботропными и связаны с аде- нилатциклазой. Наиболее распространены и важны первый и второй типы, названные соответственно Dj-рецепторы и В2-ре- цепторы.
Вх-рецепторы составляют около 3/4 всех дофаминовых рецепторов, их действие реализуется через активацию адени- латциклазы и рост синтеза цАМФ. У человека больше всего Dj-рецепторов в полосатом теле; много их в бледном шаре, миндалине, новой коре, гиппокампе. Dj-рецепторы примерно в 10 раз чувствительнее к дофамину, чем В2-рецепторы. Вместе с тем их блокада нейролептиками наступает при использовании доз в 100—1000 раз больших, чем в случае В2-ре- цепторов.
В2-рецепторы составляют около 1 /5 всех дофаминовых рецепторов. Их влияние реализуется через торможение адени- латциклазы и снижение синтеза цАМФ. Больше всего В2-ре- цепторов также в полосатом теле; далее следуют бледный шар, миндалина, гиппокамп, таламус и новая кора. Несмотря на меньшее количество, роль В2-рецепторов в ЦНС очень важна. Именно через них реализуется влияние большинства нейролептиков. Описано взаимодействие Вг и В2-рецепторов: стимуляция первых усиливает последствия специфической активации вторых.
Агонисты дофаминовых рецепторов не всегда проявляют специфичность по отношению к Вг и В2-типам. Таков апоморфин, используемый как препарат, вызывающий рвоту и применяемый при пищевом отравлении (когда промывание желудка провести невозможно), а также для выработки условно-рефлекторной отрицательной реакции на алкоголь (при лечении алкоголизма).
Избирательный агонист В2-рецепторов бромокриптин (синоним — парлодел) применяется для подавления послеродовой лактации. Предложен он и для использования при паркинсонизме, а также для ослабления двигательных нарушений, вызываемых нейролептиками.
Первым нейролептиком стал аминазин (иначе — хлорпромазин), открытый в начале 50-х годов. Применение нейролептиков позволяет контролировать самые сложные типы психопатологии — психозы, часто сопряженные с опасностью больного для окружающих и самого себя (сильное возбуждение, в том числе маниакальное; агрессия, страхи, расстройства сознания), поэтому второе название нейролептиков — антипсихотические препараты.
Аминазин и сходные с ним соединения относятся к химической группе фенотиазинов и являются антагонистами дофаминергических и центральных норадренергических рецепторов. В связи с этим, кроме ослабления психотических проявлений, они вызывают также характерное снижение общего уровня активности ЦНС: введение аминазина вызывает уменьшение двигательной активности, эмоциональную тупость (индифферентность), запоздалые реакции на внешние стимулы, однако не наблюдается помрачения сознания и нарушения мышления. Большие дозы фенотиазинов создают фон для развития дремотного состояния, они способны вызвать депрессию и двигательные расстройства, сходные с проявлениями паркинсонизма.
Следующим шагом в поисках более избирательных нейролептиков стало открытие бутирофенонов, представителем которых является галоперидол — специфический антагонист В2-рецепторов. Его избирательность позволяет эффективно блокировать маниакальные состояния и острый бред, не вызывая у больных состояния вялости и апатии. Вместе с тем могут проявляться сходные с паркинсоническими двигательные расстройства, что требует соответствующей фармакологической коррекции (например, с помощью циклодола).
Существуют и другие группы нейролептиков, обладающие более «мягким» действием. Выбор конкретного препарата зависит от тяжести патологии, ее остроты, необходимости хронического или периодического применения, индивидуальной переносимости.
С данными о преимущественно дофаминергической природе активности нейролептиков перекликаются и представления о важной роли данной медиаторной системы в развитии
шизофрении: посмертный анализ мозга больных показывает значительное увеличение связывания антагонистов дофамина в различных структурах переднего мозга, что обусловлено повышением плотности дофаминовых рецепторов D2 и D4. Следовательно, происходящие при шизофрении изменения, не затрагивая процессы синтеза и выброса дофамина, значительно (избыточно) повышают чувствительность к нему постсинаптической мембраны.
Особую группу психотропных препаратов составляют вещества, стимулирующие выброс дофамина из пресинаптиче- ского окончания, в связи с чем уровень возбуждения ЦНС усиливается, уменьшается чувство утомления и потребность в сне, улучшается настроение, ощущается прилив сил. Все это позволило отнести препараты данной группы к психомоторным стимуляторам. Их наиболее известным представителем является фенамин (сульфат амфетамина). Амфетамины усиливают выброс не только дофамина, но и норадреналина, а также ослабляют их обратный захват.
Войдя в медицинскую практику в начале века, амфетамины использовались для лечения ожирения (как средства, снижающие аппетит) и нарколепсии (болезни, при которой человек неконтролируемо засыпает). Во время Второй мировой войны они широко применялись как стимуляторы. Сейчас амфетамины используются в медицине редко, поскольку формирование привыкания и зависимости возникает примерно через 2 месяца. Кроме того, по механизму действия они не устраняют необходимости в отдыхе, а лишь позволяют использовать резервные силы организма, что быстро ведет к физическому и психическому истощению. Наконец, существует значительное количество побочных эффектов на уровне сердечно-сосудистой и эндокринной систем.
Более мягким действием по сравнению с амфетаминами обладает психомоторный стимулятор сиднокарб, усиливающий деятельность в основном норадренергических структур ЦНС; его используют при астенических состояниях, абстинентных синдромах, задержках умственного развития у детей, после травм и инфекций головного мозга. В настоящее время он практически полностью заменил фенамин.
Амфетамины же из разряда лекарств перешли в последние десятилетия в разряд допингов и наркотических препаратов. Первый всплеск употребления амфетаминов пришелся на 50-е (Япония, Швеция) и 60-е (США) годы. Употребление амфетаминов сначала вызывает ощущение физического благополу-
чия, уверенности в себе; по мере привыкания человек вынужден увеличивать и учащать приемы препарата, переходить от таблеток к инъекциям, затем наблюдаются психотические проявления (рост агрессивности, ощущение постоянной угрозы извне), все более усиливается абстинентный синдром (синдром отмены). В случае отказа от приема длительность только острого периода абстинентного синдрома может составлять 2—3 месяца, часто происходит переход к «тяжелым» наркотикам — морфину и героину.
Отдельной группой наркотических препаратов являются метиловые амфетамины («экстази» и др.), по механизмам действия более близкие к галлюциногенам (см. следующую главу).
Кокаин — алкалоид, содержащийся в листьях южноамериканского кустарника Erythroxylon coca. Его ярко выраженное влияние на нервную систему включает два компонента — местноанестезирующий и центральный. Как местный анасте- тик, кокаин применяется в практике отоларингологов при небольших операциях, не получая широкого распространения из-за высокой токсичности. Используется он и при операциях на роговице.
В ЦНС кокаин функционирует как блокатор обратного захвата дофамина, в результате чего его эффекты оказываются сходными с эффектами амфетаминов. Еще в конце XIX века в аптеках свободно продавались стимулирующие вина и тоники из коки, однако в начале XX века за распространением кокаина был установлен строгий контроль. Причиной этого стали многочисленные случаи развития кокаиновой зависимости. В 70-е годы на наркотическом рынке появился сравнительно дешевый кокаин, производимый в Колумбии и ряде других стран. Кроме того, была изобретена особо активная форма кокаина, предназначенная для курения, — «крэк». Все это привело к тому, что сегодня кокаин превратился в один из самых опасных и распространенных наркотиков.
Попадая в организм через дыхательные пути, кокаин вызывает очень сильные и приятные ощущения, имеющие, однако, небольшую длительность, т. е. по сравнению с амфетаминами он действует сильнее, но более короткое время. Влияние малых доз кокаина и амфетаминов сходно еще в большей степени. В случае кокаина гораздо выше опасность передозировки; более выражен психологический компонент зависимости; менее ярок — физиологический. Амфетамины, как и кокаин, истощают пресинаптические запасы дофами-
на: первые — усиливая выброс медиатора; второй — не давая ему возвращаться в везикулы. В последнем случае значительная часть дофамина распадается прямо в синаптической щели.
В норме инактивация дофамина (рис. 3.32) осуществляется тем же способом, который описан для норадреналина (обратный захват, а затем повторная загрузка в везикулы либо разложение с помощью МАО). Отличие состоит в функции пресинаптических рецепторов. В случае дофамина их включение тормозит активность синапса, т. е. уменьшает дальнейший выброс медиатора. Этот механизм позволяет нервным клеткам экономно расходовать запасы дофамина, но подразумевается, что чувствительность пре- и постсинаптических рецепторов к дофамину тонко сбалансирована. Смещение этого баланса, вероятно, является причиной некоторых видов шизофрении, при которых пресинаптические рецепторы «опаздывают» с торможением выброса медиатора, поэтому оказывается полезным введение специфических агонистов пресинаптических рецепторов (например, апоморфина в малых дозах). С другой стороны, блокада пресинаптических рецепторов галоперидолом может увеличивать активность дофами-
Рис. 3.32. Схема регуляции деятельности дофаминергического синапса: 1 — везикулы с дофамином; 2 — постсинаптический рецептор; 3 — белок-насос, осуществляющий обратное всасывание дофамина; 4 — пресинаптический рецептор
нергической передачи (особенно если на постсинаптической мембране находится минимальное количество В2-рецеп- торов).
СЕРОТОНИН
Серотонин — медиатор, относящийся к группе моноаминов, к ней же принадлежат катехоламины и гистамин (см. главу 3.12). Образуется серотонин в результате химического преобразования аминокислоты триптофана.
Триптофан является незаменимой пищевой кислотой, причем в растительных продуктах количество его незначительно; больше всего этого соединения в молочных продуктах. Ключевая стадия превращения триптофана в серотонин катализируется специальным ферментом триптофангидроксилазой.
Являясь медиатором ЦНС, серотонин одновременно выполняет важные функции в периферических органах: он работает как тканевой гормон, чья важнейшая функция — повышение тонуса гладкой мускулатуры. Наиболее известно сосудосуживающее действие серотонина: оно сопровождается повышением проницаемости капилляров, что может приводить к развитию отеков; сосудосуживающие эффекты серотонина, развивающиеся в мягкой мозговой оболочке, способны
вызвать спазм артерий и развитие мигрени. Серотонин усиливает моторику желудочно-кишечного тракта, тонус матки, бронхов.
Много серотонина содержат тромбоциты — клетки крови, отвечающие за ее свертывание при повреждении сосуда. Выбрасываемый из тромбоцитов серотонин вызывает сужение сосуда в месте разрыва и способствует остановке кровотечения; ускоряет слипание тромбоцитов и формирование тромба; участвует в развитии воспалительного ответа на повреждение тканей и клеток.
В ЦНС серотонин синтезируют в основном нейроны, находящиеся в ядрах шва; последние расположены вдоль средней линии продолговатого мозга, моста и среднего мозга (рис. 3.33).
Большая часть аксонов из клеток направляется вперед к промежуточному и конечному мозгу, при этом особенно выделяются следующие пути: к полосатому телу, лобной, теменной и затылочной коре, поясной извилине; к миндалине, древней коре и гиппокампу; к медиальной зоне таламуса и ядрам гипоталамуса; к черной субстанции, четверохолмию и центральному серому веществу среднего мозга. Часть серотонинергических проекций заканчивается в спинном мозге.
Приведенный список структур ЦНС настолько велик, что позволяет предположить влияние серотонина практически на все существенно важные стороны деятельности мозга. Действительно, по имеющимся данным, серотонин участвует в управлении уровнем бодрствования, работе сенсорных систем, связан с обучением и эмоционально-мотивационной сферой. Одновременно происходит сложное взаимодействие с эффек-
Рис. 3.33. Схема распределения в головном мозге нейронов, вырабатывающих в качестве медиатора серотонин: 1 — ядра шва; 2 — распределение аксонов ядер шва по структурам головного мозга; 3 — проекции в спинной мозг
тами катехоламинов. Так, в рамках системы сон — бодрствование серотонин конкурирует с дофамином и норадреналином, вызывая снижение уровня возбуждения ЦНС. Ядра шва и связанное с ними центральное серое вещество рассматриваются как важнейшие центры сна, включение которых ведет в конечном итоге к общему торможению ЦНС.
В случае сенсорных систем также наблюдается в основном тормозящее действие серотонинергических проекций. Известно анальгетическое (обезболивающее) влияние стимуляции ядер шва, дополняющее аналогичные эффекты норадреналина. При этом в задних рогах спинного мозга наблюдается активация тормозных интернейронов, в результате чего и осуществляется регуляция передачи болевой чувствительности. В корковых сенсорных зонах описаны серотонинергические проекции к нейронам, непосредственно проводящим зрительные, тактильные и прочие сигналы. Функция этих проекций состоит в предотвращении избыточного распространения сенсорного возбуждения по нейронным сетям («фокусировка» сигналов). Блокада этого механизма может сильно исказить процессы восприятия, вызвать сенсорные иллюзии и галлюцинации (см. ниже об эффектах ЛСД). Сходное действие серотонин оказывает и на ассоциативные зоны коры, делая процессы мышления более «организованными» (рис. 3.34). Каналы передачи информации (КПП) коры взаимодействуют друг с другом при помощи коллатералей аксонов (прерывистые линии), оказывая взаимное возбуждающее влияние, которое является необходимым условием для нормального течения ассоциативных процессов. Аксоны клеток ядер шва контролируют эти
Рис. 3.34. Схема тормозящего действия серотонина на передачу информации в нейронных сетях коры больших полушарий
влияния, удерживая нейронные сети коры в оптимальном для обработки информации состоянии. Область тормозных эффектов серотонинергических проекций на рис. 3.34 затемнена.
Работая под управлением систем положительного и отрицательного подкрепления, серотонинергические нейроны способны участвовать в процессах обучения. В этом случае серотонин также дополняет эффекты норадреналина, вызывая долговременные изменения свойств корковых синапсов. Одна из существующих гипотез допускает разделение функций двух этих медиаторов: с серотонином в большей мере связана выработка навыков, позволяющих получить положительное подкрепление (пищевое, половое), а с норадреналином — выработка навыков избегания отрицательного (например, болевого) подкрепления.
В случае влияния серотонина на центры потребностей, мотиваций и эмоций с уверенностью можно говорить о седативном (понижающем тревожность) действии и уменьшении аппетита. Препараты, повышающие активность этой медиаторной системы, оказались весьма эффективны при некоторых видах депрессий.
Синтез серотонина осуществляется преимущественно в пресинаптических окончаниях. Выделяясь в дальнейшем в синаптическую щель, серотонин связывается с соответствующими рецепторами, которых в настоящее время известно 3 типа. Сокращенно они называются 5НТГ, 5НТ2- и 5НТ3-ре- цепторы. Последний слабо представлен в ЦНС, поэтому подробнее остановимся только на свойствах рецепторов первого и второго типов.
5HTj- и 5НТ2-рецепторы являются метаботропными и сопряжены соответственно с аденилатциклазой и фосфолипазой С (ферментом, с помощью которого осуществляется синтез ди- ацилглицерола и инозитолтрифосфата). 5НТ2-рецепторы более распространены на постсинаптических мембранах мозга, особенно высока их концентрация в лобной коре; несколько меньше 5НТ2-рецепторов в поясной извилине, гипоталамусе, миндалине. бНТррецепторы чаще являются пресинаптиче- скими. Будучи более чувствительными к серотонину, чем 5НТ2-тип, они способны эффективно блокировать его выброс в синаптическую щель. Этот механизм в целом аналогичен механизму, описанному в случае дофамина. Кроме того, активация пресинаптических рецепторов снижает синтез серотонина.
Специфические агонисты и антагонисты 5НТГ и 5НТ2-ре- цепторов имеют довольно узкое практическое применение. Например, бНТ^агонисты лизурид и суматриптан используются как противомигреневые препараты, а 5НТ2-блокатор кетансерин — при повышенном тонусе артерий и гипертонических кризах. Однако существует еще одна группа веществ, действующих на серотониновые рецепторы. Это производные лизергиновой кислоты — алкалоиды паразитического гриба спорыньи. Они используются в клинике (для стимуляции мускулатуры матки и при мигрени) и одновременно являются представителями особой категории наркотических препаратов — галлюциногенов. Из последних наиболее известен ди- этиламид лизергиновой кислоты (ЛСД, рис. 3.35).
Термин «галлюциногены» в данном случае не совсем точен. Дело в том, что препараты этой группы не только вызывают галлюцинации, но и влияют на настроение, мышление и другие психические функции. Хорошо характеризует специфику их действия термин «измененное сознание».
ЛСД в чистом виде выделен в 1938 г. В 1943 г. было обнаружено его галлюциногенное действие. Случилось это непреднамеренно, когда работавший с ним химик случайно насыпал
Рис. 3.35. Паразитический гриб спорынья и один из ее токсинов — диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД): а — спорынья на колосе злака; б — плодовое тело спорыньи (увеличено); в — структурная формула ЛСД: затемнен фрагмент, соответствующий молекуле серотонина
небольшое количество вещества на кожу. ЛСД всосался и вызвал сначала «возбуждение, сопровождаемое легким головокружением», а затем «непрерывный поток фантастических картин с интенсивной игрой красок». В дальнейшем ЛСД привлек к себе внимание психиатров. Предполагалось, что его прием сделает пациентов более доступными для психотерапевтического лечения. В 60-е годы только в США этот наркотик попробовали не менее 2 млн человек, и возникло особое понятие «кислотной культуры». Затем, по мере накопления данных о негативных последствиях приема ЛСД, его потребление стало падать.
Реакция на ЛСД очень индивидуальна. Однако во всех случаях наблюдается нарушение зрительного восприятия. Формы окружающих предметов выглядят карикатурно-искаженными; цвета — очень красочными и контрастными. Происходит изменение соматического восприятия: может появиться ощущение легкости или тяжести в теле и конечностях, ощущение «уменьшения» или «увеличения» частей тела. Очень разнообразны эмоциональные реакции — от эйфории до ужаса. Мышление приближается к детскому типу, снижается способность к абстракции. При углублении эффекта наркотика происходит постепенное отключение субъекта от реального мира; возникают разнообразные зрительные галлюцинации (в том числе при действии стимулов других модальностей, например, слуховых). Все это происходит на фоне сильных эмоций и измененного мышления. Понимание «сути вещей», озарения, приходящие под влиянием ЛСД, представляются очень важными и значительными. Однако, когда действие наркотика прекратится, они, скорее всего, окажутся банальными либо очевидно ложными.
Механизм действия ЛСД и родственных ему препаратов связан в большинстве случаев с блокадой постсинаптических серотониновых рецепторов, возможна также активация пре- синаптических рецепторов. В итоге наблюдаются различные варианты активации систем, в обычном состоянии блокируемых серотонинергическими проекциями. Зрительные галлюцинации являются следствием неадекватной работы затылочной коры; нарушения эмоций и мышления — сбоями, возникающими в гиппокампе, поясной извилине, гипоталамусе, лобной коре.
Побочные эффекты серотонинергических галлюциногенов весьма значительны. Важнейшая проблема — вызываемые ими панические и параноидальные реакции (во время «плохих
путешествий»). Их вероятность растет с увеличением дозы препарата, а также в случае, если употребляющий галлюциноген человек находится в стрессовой ситуации, чего-то боится. Протекая на сильном эмоциональном фоне, галлюцинации могут очень прочно фиксироваться в памяти. Это способно привести к их самопроизвольному возврату спустя недели и даже месяцы после приема ЛСД. Наконец, возможно развитие длительных расстройств психики (особенно на фоне уже имеющейся психопатологии).
Серотонин, как и катехоламины, возвращается в преси- наптическое окончание с помощью механизма обратного всасывания. Деградация медиатора идет с помощью все той же МАО. Ослабляя обратный захват либо блокируя МАО, можно достичь активации серотонинергических синапсов. При этом воздействие на МАО приведет к параллельной активации и катехоламинергических систем. Блокаторы МАО, усиливающие работу сразу трех медиаторов-моноаминов (серотонина, норадреналина и дофамина), образуют отдельное семейство психотропных препаратов — антидепрессантов.
Снижение активности моноаминергических систем при депрессии обнаружено достаточно давно. Первой попыткой исправить положение стало создание необратимых блокаторов МАО. Вступая в прочную химическую связь с ферментом, они выводят его из строя. Последствия такого воздействия сохраняются в течение нескольких дней (и даже недель) — пока не произойдет синтез новых молекул моноаминоксидазы. Примером препарата, обладающего таким весьма «грубым» механизмом действия, может служить ниаламид. В настоящее время предпочтение отдается обратимым блокаторам МАО — пиразидолу и инказану. Наряду с небольшой по продолжительности антидепрессантной активностью, они обладают и определенным психостимулирующим действием. Препараты этого класса применяются при различных видах депрессий: маниакально-депрессивном психозе, тревожно-депрессивной и тревожно-бредовой симптоматике, депрессиях с психомоторной заторможенностью (табл. 3.3).
Второй категорией антидепрессантов являются блокаторы обратного захвата норадреналина, дофамина и серотонина. Такие соединения, как имипрамин, амитриптилин, азафен, не обладают четкой избирательностью и активируют состояние всех трех моноаминергических систем. Последние два из них не оказывают психостимулирующего действия, что уменьшает вероятность побочных эффектов. Особый интерес
Препарат
Механизм действия
Ниаламид
Необратимый блокатор МАО
Пиразидол, инказан
Обратимые блокаторы МАО
Имипрамин, амитриптилин, азафен
Неизбирательные блокаторы обратного захвата моноаминов
Тразодон, флуоксетин (прозак)
Избирательные блокаторы обратного захвата серотонина
Таблица 3.3
ПРЕПАРАТЫ-АНТИДЕПРЕССАНТЫИ МЕХАНИЗМЫ ИХ ДЕЙСТВИЯПРЕПАРАТЫ-АНТИДЕПРЕССАНТЫИ МЕХАНИЗМЫ ИХ ДЕЙСТВИЯпредставляют препараты, способные ослаблять обратный захват только серотонина. Такие из них, как тразодон и флуоксетин (синоним — прозак), оказались избирательно активны по отношению к депрессиям, сопровождающимся страхом. Применяемые в малых дозах, они способны повысить уверенность в себе, устранить чуство скованности при общении с другими людьми — т. е. сделать человека социально активным, контактным, коммуникабельным.
ПРЕПАРАТЫ-АНТИДЕПРЕССАНТЫ
И МЕХАНИЗМЫ ИХ ДЕЙСТВИЯ
ПРЕПАРАТЫ-АНТИДЕПРЕССАНТЫ
И МЕХАНИЗМЫ ИХ ДЕЙСТВИЯ
ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА (ГЛУТАМАТ)
Исторически сложилось так, что первыми открытыми медиаторами стали ацетилхолин и моноамины. Это обусловлено их широким распространением в периферической нервной системе (по крайней мере, в случае ацетилхолина и норадреналина). Однако далеко не они являются наиболее часто встречающимися медиаторами ЦНС. Более 80% нервных клеток головного и спинного мозга используют в качестве медиаторов вещества-аминокислоты, которые переносят основную часть сенсорных, двигательных и прочих сигналов по нейронным сетям (возбуждающие аминокислоты), а также осуществляют управление таким переносом (тормозные аминокислоты). Можно сказать, что аминокислоты реализуют быструю передачу информации, а моноамины и ацетилхолин создают общий мотивационно-эмоциональный фон и «наблюдают» за уровнем бодрствования. Существуют и еще более «медлен-
ные» уровни регуляции деятельности мозга — это системы нейропептидов и гормональные влияния на ЦНС.
По сравнению с образованием моноаминов синтез медиаторов-аминокислот является для клетки более простым процессом, и все они несложны по химическому составу. Медиаторы этой группы характеризуются большей специфичностью синаптических эффектов — либо конкретному соединению присущи возбуждающие свойства (глутаминовая и аспарагиновая кислоты), либо тормозные (глицин и гамма-аминомасляная кислота — ГАМК). Агонисты и антагонисты аминокислот вызывают более предсказуемые эффекты в ЦНС, чем агонисты и антагонисты ацетилхолина и моноаминов. С другой стороны, воздействие на глутамат или ГАМК-ергические системы нередко приводит к слишком «широким» изменениям во всей ЦНС, что создает свои трудности.
Главным возбуждающим медиатором ЦНС является глутаминовая кислота. В нервной ткани взаимные превращения глутаминовой кислоты и ее предшественника глутамина выглядят следующим образом:
NH2
nh,.I
.с—сн2—сн2—сн—соон
Глутамин
ВпресинаптическихокончанияхВпресинаптическихокончанияхВ глиальных клетках(после захватаиз синаптической щели)
Впресинаптическихокончаниях
Впресинаптическихокончаниях
^с—сн2—сн2—сн—с^I онnh2
Глутаминовая кислота
Будучи заменимой пищевой аминокислотой, она широко распространена в самых разных белках, и ее суточное потребление составляет не менее 5—10 г. Однако глутаминовая кислота пищевого происхождения в норме очень плохо проникает через гематоэнцефалический барьер, что предохраняет нас от серьезных сбоев в деятельности мозга. Практически весь глу-
тамат, необходимый ЦНС, синтезируется прямо в нервной ткани, но ситуация усложняется тем, что данное вещество является также промежуточной стадией в процессах внутриклеточного обмена аминокислот. Поэтому нервные клетки содержат много глутаминовой кислоты, лишь небольшая часть которой выполняет медиаторные функции. Синтез такого глутамата происходит в пресинаптических окончаниях; основной источник-предшественник — аминокислота глутамин.
Выделяясь в синаптическую щель, медиатор действует на соответствующие рецепторы. Разнообразие рецепторов к глутаминовой кислоте чрезвычайно велико. В настоящее время выделяют три типа ионотропных и до восьми типов метаботропных рецепторов. Последние менее распространены и менее изучены. Их эффекты могут реализоваться как путем подавления активности аценилатциклазы, так и через усиление образования диацилглицерола и инозитолтрифосфата.
Ионотропные рецепторы к глутаминовой кислоте получили свои названия по специфическим агонистам: NMDA-рецепторы (агонист N-метил-П-аспартат), АМРА-рецепторы (агонист альфа-аминогидроксиметилизоксанолпропионовая кислота) и каинатные (агонист каиновая кислота). Сегодня наибольшее внимание уделяется первому из них. NMDA-pe- цепторы широко распространены в ЦНС от спинного мозга до коры больших полушарий, больше всего их в гиппокампе. Рецептор (рис. 3.36) состоит из четырех белков-субъединиц, имеющих два активных центра для связывания глутамино-
1
Рис. 3.36. Схема NMDA-рецептора
вой кислоты 1 и два активных центра для связывания глицина 2. Эти же белки формируют ионный канал, который может блокироваться ионом магния 3 и канальными блокаторами 4.
Функция глицина состоит в усилении ответов NMDA-pe- цептора. Происходит это при низких концентрациях аминокислоты — меньших, чем необходимо для проявления собственных медиаторных свойств глицина. Сам по себе глицин постсинаптических потенциалов не вызывает, но при полном отсутствии глицина их не вызывает и глутамат.
Ионный канал NMDA-рецептора проходим для ионов Na+, К+, Са2+ (в этом его сходство с никотиновым рецептором). На уровне потенциала покоя через него могут осуществлять движение ионы натрия и кальция. Однако их токи оказываются выключены, если канал заблокирован ионом Mg2+ (что обычно наблюдается в некоторое время «на работавшем» синапсе).
При поляризации мембраны нейрона до уровня примерно -40 мВ происходит выбивание магниевой пробки и рецептор переходит в активное состояние (рис. 3. 37, а). Такая деполяризация в реальных условиях наблюдается на фоне срабатывания других (не-NMDA) рецепторов к глутаминовой кислоте. Возврат «магниевых пробок» может занимать несколько часов, и в течение всего этого периода соответствующий синапс будет сохранять повышенную активность, т. е. при появлении глутаминовой кислоты (ГлК) каналы NMDA-рецепторов будут
приводит к переходу рецептора в рабочееАктивация
состояние (б)ферментов
открываться, создавая условия для входа Na+ и Са2+ (рис. 3.37, б). Данное явление лежит в основе одного из типов кратковременной памяти и называется долговременной по- тенциацией.
Канальные блокаторы кетамин, дизоцилпин (синоним — МК-801) и другие перекрывают канал NMDA-рецептора и прерывают идущие через него ионные токи. При этом в одних случаях наблюдается прочное установление «пробки», и соответствующий препарат оказывается стабильно связан с внутренней поверхностью канала; в других случаях блокада оказывается потенциал-зависимой, и молекулы препарата ведут себя, подобно ионам Mg2+, покидая канал при деполяризации мембраны. Последний вариант оказался наиболее перспективным с точки зрения клинического применения.
Вход через канал NMDA-рецепторов ионов Na+ и Са2+ означает, что в итоге возникнет не только ВПСП, но и ряд метаболических изменений в цитоплазме постсинаптического нейрона, поскольку ионы кальция способны регулировать деятельность многих внутриклеточных ферментов, в том числе связанных с синтезом других вторичных посредников. Избыточная активация этого механизма может быть опасна: если каналы NMDA-рецепторов открыты слишком долго, в клетку войдет очень много Са2^ и произойдет чрезмерная активация внутриклеточных ферментов, а взрывообразный рост интенсивности обмена веществ может привести к повреждению и даже гибели нейрона. Подобный эффект определяется как нейротоксическое действие глутамата. С ним приходится считаться при различных видах перевозбуждения нервной системы, особенно велика вероятность таких повреждений у людей с врожденными нарушениями внутриклеточного транспорта и связывания ионов кальция (например, их переноса из цитоплазмы в каналы ЭПС).
В редких случаях наблюдается нейротоксическое действие глутамата, принимаемого с пищей: плохо проходя из крови в нервную ткань, он все же способен частично проникать в ЦНС в тех зонах, где гематоэнцефалический барьер ослаблен (гипоталамус и дно четвертого желудочка — ромбовидная ямка). Возникающие при этом активационные изменения используют в клинике, назначая по 2—3 г глутамата в сутки при задержках психического развития, истощении нервной системы. Кроме того, глутамат широко используется в пищевой промышленности как вкусовая добавка (имеет мясной вкус) и входит в состав многих пищевых концентратов. Очень богаты
им также некоторые восточные приправы, изготовленные из морской капусты. Человек, съевший несколько блюд японской кухни, может одномоментно получить 10—30 г глутамата; последствиями этого нередко становятся активация сосудодвигательного центра продолговатого мозга, рост артериального давления и учащение сердцебиения. Это состояние опасно для здоровья, поскольку может вызвать сердечный приступ и даже инфаркт. В более тяжелом случае происходит локальная гибель нейронов, «перенасытившихся» кальцием. Развитие таких очагов нейродегенерации напоминает по форме микроинсульт.
Поскольку глутамат как медиатор ЦНС распространен очень широко, эффекты его агонистов и антагонистов захватывают многие системы мозга, т. е. они очень генерализованы. Типичным следствием введения агонистов является заметная активация ЦНС — вплоть до развития судорог. Особенно известна в этом смысле каиновая кислота — токсин одной из водорослей Японского моря, вызывающий в больших дозах дегенерацию глутаматергических нейронов (табл. 3.4).
Антагонисты глутаминовой кислоты в норме оказывают тормозящее действие на работу мозга и способны избирательно снижать патологическую активность ЦНС. Препараты этой группы эффективны при эпилепсии, паркинсонизме, болевых синдромах, бессоннице, повышенной тревожности, некоторых видах депрессии, после травм и даже при болезни Альцгеймера. Однако конкурентные антагонисты NMDA-рецепторов пока не нашли клинического применения в силу слишком большой генерализованности изменений. Наиболее перспективной группой оказались блокаторы ионных каналов, причем не связывающиеся с каналом слишком прочно (например, амантадин, будипин, мемантин).
Внедрение этих препаратов во врачебную практику в настоящее время только начинается. Они особенно эффективны в ситуациях избыточной активности NMDА-рецепторов, которые возникают как результат недостаточно прочного удержания магниевых пробок; в этих же целях пытаются использовать блокаторы места связывания глицина с NMDA-рецептором (ликостинел).
Другое соединение, уже получившее практическое применение, — ламотриджин. Механизм его действия, тормозящего глутаматергическую систему, заключается в стабилизации пресинаптических мембран, поэтому выделение медиатора в синаптическую щель заметно снижается. Ламотриджин —
Вещество
Механизм действия
Каиновая кислота
Агонист глутамата, в больших дозах — нейротоксин
Кетамин (калипсол), фенциклидин
Прочная блокада ионного канала NMDA-рецептора
Амантадин, будипин, мемантин
Потенциал-зависимая блокада ионного канала NMDA-рецептора
Глицин
Необходим для срабатывания NMDA-рецептора; усиливает ответ на глутаминовую кислоту
Ликостинел
Блокатор места связывания глицина
Ламотриджин
Стабилизирует пресинаптические мембраны, уменьшая выброс глутаминовой кислоты
Таблица 3.4
ВЕЩЕСТВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИХ СИНАПСОВВЕЩЕСТВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИХ СИНАПСОВперспективный- противоэпилептический препарат, особенно при сочетании с агонистами ГАМК.
ВЕЩЕСТВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИХ СИНАПСОВ
ВЕЩЕСТВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИХ СИНАПСОВ
Особой категорией веществ, связанных с деятельностью NMDA-рецепторов, являются «прочные» блокаторы их ионных каналов. Наиболее известен среди ццх кетамин (синоним — калипсол), который используется в клинике как препарат, оказывающий мощное анальгезирующее действие, а также вызывающий быстрый наркоз. Побочный эффект кетамина — появление галлюцинаций. Галлюциногенное действие значительно более выражено у второго препарата данной группы — фенциклидина, который исходно также использовался для обезболивания, но затем перестал применяться, сохранив «значение» как наркотик-галлюциноген.
Эффекты фенциклидина своеобразны: в малых количествах он вызывает эйфорию и онемение; речь и координация движений нарушаются. При увеличении дозы возникает зату- маненность зрения, однако визуальные (зрительные) галлюцинации редки (в отличие от ЛСД), и в основном происходит нарушение осязательных ощущений. Действие наркотика продолжается обычно несколько часов, но после больших доз —
до нескольких дней и даже недель. Вероятность «плохих путешествий» очень велика — 50—80%. Нередко наблюдаются вспышки ярости и даже депрессии, требующие дальнейшего медицинского вмешательства.
Инактивация глутаминовой кислоты осуществляется в основном путем захвата глиальными клетками (астроцитами), затем происходит превращение ее в глутамин, аспарагиновую кислоту и ГАМК. Аспарагиновая кислота (аспартат) также может выполнять в ЦНС функции возбуждающего медиатора. По своей химической формуле она очень близка к глутаминовой и действует на те же рецепторы.
ГАММА-АМИНОМАСЛЯНАЯ
КИСЛОТА
СН2—СН2—СН2—ССН2—СН2—СН2—СООНООНВпресинаптических окончаниях(после чего ГАМК загружается в везикулы)Впресинаптических окончаниях(после чего ГАМК загружается в везикулы)Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) — непищевая аминокислота. Это значит, что она не входит в состав белков и полностью синтезируется в организме. В пищевых аминокислотах NH2-rpynna находится в альфа-положении (у ближайшего к СООН-концу атома углерода); у ГАМК — в более удаленном гамма-положении. Взаимные превращения ГАМК и глутаминовой кислоты представлены ниже:
СН2—СН2—СН2—С
СН2—СН2—СН2—С
О
ОН
О
ОН
Впресинаптических окончаниях(после чего ГАМК загружается в везикулы)
Впресинаптических окончаниях(после чего ГАМК загружается в везикулы)
nh2
ГАМК
Впресинаптических окончаниях(после обратного всасывания из синаптической щели; фермент ГАМК — трансфераза)
/С—СН—СН2—сн2—сСНО^ |^ОН
NH2 Глутаминовая кислота
ГАМК, как и глутаминовая кислота, играет важную роль в процессах внутриклеточного обмена веществ (в ферментативном разложении глюкозы); лишь небольшая часть ГАМК выполняет функции медиатора. В этом случае она легко образуется из глутаминовой кислоты прямо в пресинаптических окончаниях, затем происходит перенос ГАМК в везикулы и выброс в синаптическую щель.
В ЦНС ГАМК распространена не меньше, чем глутаминовая кислота; в основном она является медиатором относительно мелких нейронов, осуществляющих тормозную регуляцию проведения сигналов. Иными словами, передачу информации от одной нервной структуры к другой осуществляют прежде всего глутаматергические нейроны (релейные, тип Гольджи I). Функции торможения реализуются преимущественно за счет деятельности ГАМК-ергических клеток. В некоторых зонах ЦНС встречаются и крупные нейроны, использующие ГАМК в качестве медиатора: клетки Пуркинье (кора мозжечка) и клетки бледного шара, играющие важную роль в работе двигательных центров головного мозга.
Выделяясь в синаптическую щель, ГАМК действует на соответствующие рецепторы: ГАМКЛ и ГАМКБ. Первый определяется как постсинаптический, ионотропный, он содержит СГ -каналы; второй — как пост-, так и пресинаптический, метаботропный, он влияет на К+-каналы (табл. 3.5). Более исследованы ГАМКА-рецепторы, агонисты которых нашли широкое применение в клинической практике. Антагонисты ГАМКА-рецепторов бикукулин и пикротоксин — сильные яды, которые вызывают судороги. При этом бикукулин (токсин растений семейства дымянковых) является конкурентным антагонистом и связывается с местом присоединения к рецептору самой ГАМК. Пикротоксин — неконкурентный антагонист и блокирует СГ-канал.
Структура ГАМКд-рецептора очень сложна: кроме активного центра, присоединяющего собственно медиатор, он содержит места связывания других веществ. Наиболее известными в их ряду являются барбитураты и бензодиазепины, увеличивающие время открывания СГ-каналов. В результате этого наблюдаются агонистические по отношению к ГАМК эффекты. Это позволило широко использовать бензодиазепины и барбитураты в клинике как успокоительные (.седативные средства и транквилизаторы^, противоэпилептические, снотворные препараты, средства для наркоза. Нередко все
'Таблица 3.5
РЕЦЕПТОРЫ ГАМК
И ВЛИЯЮЩИЕ НА НИХ ПРЕПАРАТЫ
Рецептор
ГАМКа
ГАМКб
Тип рецептора Тип ионного канала Агонисты
Антагонисты
Эндогенные антагонисты
Ионотропный
Хлорный
Барбитураты, бензодиазепины
Бикукулин, пикротоксин
Эндозепины, бета- карболины
Метаботропный
Калиевый
Баклофен
Другие препараты, активирующие ГАМК-ергические синапсы
Вальпроаты (блокаторы ГАМК-трансферазы), аминалон, оксибутират, фенибут
эти эффекты способно вызвать одно и то же вещество по мере увеличения используемой дозы.
Барбитураты были открыты в конце XIX века. Все они — производные барбитуровой кислоты: циклического соединения, содержащего внутри шестичленного кольца 2 атома азота. В их названиях обычно присутствует суффикс «-ал». Барбитураты действуют во всех отделах мозга, вызывая генерализованное торможение, поэтому они чаще используются как средства для наркоза (гексенал), а также при тяжелых формах эпилепсии (фенобарбитал, бензонал). Барбитураты-снотворные (барбитал, нембутал) в настоящее время находят все меньшее применение, поскольку вызываемый ими сон отличается от естественного (уменьшается выраженность парадоксальной стадии). После такого сна может наблюдаться сильная заторможенность, нарушение скорости реакции и координации движений.
Длительное применение барбитуратов вызывает зависимость, при этом синдром отмены проявляется в виде бессонницы, беспокойства, а в тяжелых случаях — бреда и судорог. Прием барбитуратов совместно с алкоголем усиливает их действие, в результате возможна передозировка, приводящая к остановке дыхания.
Перечисленные недостатки барбитуратов вызвали поиск более избирательно действующих агонистов ГАМК. В результате в начале 50-х годов появились бензодиазепины, содержащие в своей структуре три сложным образом соединенных кольца. Их названия нередко содержат суффиксы «-ам» и «-ум». Бензодиазепины действуют в основном на конечный мозг. Используясь как снотворные препараты (нитразепам), они увеличивают глубину и продолжительность сна, но избыточное их количество, как и в случае барбитуратов, может легко привести к дневной заторможенности. Особенно это важно для людей, чья работа связана с повышенным уровнем внимания и необходимостью быстрого реагирования (водители транспорта).
Как противосудорожные препараты бензодиазепины применяются при более легких формах эпилепсии по сравнению с барбитуратами. В таких случаях важно не только снизить вероятность припадков, но и сохранить ЦНС в работоспособном состоянии. Следовательно, оптимальным вариантом является не генерализованное торможение мозга, а избирательное снижение активности нейронов эпилептического очага.
Эпилептический очаг представляет собой постоянно возбужденную область ЦНС. Причины этого возбуждения могут быть самыми разными: последствия травмы и кровоизлияния в мозг, повышенное внутричерепное давление, локальная гибель или недоразвитие тормозных интернейронов. Периодически «вырываясь» из эпилептического очага, нервное возбуждение может широко распространяться по мозгу, вызывая припадок. Выделяют большие и малые припадки.
При большом припадке (grand mat) происходит потеря сознания, падение человека и развитие тонических судорог (напряжение всех мышц, сопровождающееся остановкой дыхания; изгиб тела, часто прикусывается язык; длятся 20—30 с). Тонические судороги сменяются клоническими (ритмические подергивания головы и конечностей; 1—2 мин). После прекращения судорог сознание восстанавливается не сразу.
При малом припадке (petit mat) наблюдается кратковременное (несколько секунд) выключение сознания. При этом человек может сохранить предшествовавшую позу (сидеть, стоять, идти), но не всегда знает, что с ним произошло. Окружающие могут заметить малый припадок по «отключению» больного от разговора, падению предмета из его рук, застывшему выражению лица. На электроэнцефалограмме в этот момент зарегистрируется характерная «спайк-волна», представ-
ляющая собой чередование высокоамплитудных быстрых и медленных волн (рис. 3.38).
К тяжелым последствиям эпилепсии относятся и так называемые «эпилептические сумерки» — помрачение сознания с наплывом зрительных и слуховых галлюцинаций, бредом. Двигательная активность при этом сохраняется, а под влиянием болезненных переживаний возможны агрессивные действия. У многих больных возникают периодические изменения настроения (дисфории) — состояния беспокойства, злобности, придирчивости или, наоборот, оживления и веселости. Сумеречные состояния и дисфории рассматриваются как замещающие эпилептический припадок явления, позволяющие «разрядиться» скопившемуся патологическому возбуждению.
При легких формах эпилепсии изменения психики невелики, а припадки редки (не чаще 1 раза в год). При тяжелых формах в день может наблюдаться 5—10 больших припадков. В особо тяжелых случаях заболевание не удается ослабить фармакологическими препаратами, и последней возможностью является хирургическое устранение очага эпилептической активности (вплоть до удаления целого полушария).
В последнее время особенно эффективным для облегчения состояния эпилептических больных считается совместное введение агонистов ГАМК (бензодиазепинов) и антагонистов глутаминовой кислоты (ламотриджина). В этом случае состояние нервной системы корректируется сразу с двух сторон — за
ЭЭГ очага эпилептической
Рис. 3.38. Электроэнцефалографическое проявление малого эпилептического припадка в виде комплексов «спайк- волна»: 1 — спайк; 2 — волна
счет усиления тормозных и ослабления возбуждающих процессов. Такой подход позволяет свести к минимуму побочные эффекты, что чрезвычайно важно для сохранения нормального работоспособного состояния мозга пациентов с легкими формами эпилепсии.
Термин «транквилизаторы» происходит от латинского «делать спокойным». Их основной эффект— уменьшение эмоциональной напряженности, тревоги и страха. В современной литературе для препаратов этой группы используется также термин «анксиолитики» (от anxiety — тревожность). Транквилизаторы могут применяться в качестве противосудорожных препаратов; на их фоне облегчается сон и усиливается действие снотворных препаратов и анальгетиков.
Транквилизаторы отличаются от нейролептиков тем, что практически не уменьшают психотические расстройства (соответствующие двигательные проявления, бред, галлюцинации). С другой стороны, транквилизаторы отличаются и от антидепрессантов. Повышенную тревожность можно рассматривать как избыточный страх перед «отрицательным подкреплением» — болью, неудачами, реальными и мнимыми опасностями. Депрессия же — это снижение значимости «положительного подкрепления» (различных субъективно приятных переживаний), потеря интереса к жизни.
Наиболее известны среди анксиолитиков-бензодиазепинов элениум (синонимы — либриум, хлозепид), реланиум (диазепам, седуксен, сибазон, валиум), тазепам (нозепам). Более мягким по сравнению с ними действием характеризуется ме- запам (нобриум), что позволяет назначать его пожилым людям, детям, а также в качестве «дневного транквилизатора», минимально угнетающего основные функции ЦНС.
Кроме уже перечисленных ситуаций, бензодиазепины применяют для облегчения абстинентного синдрома, при мигрени, кожном зуде, сердечных аритмиях, для уменьшения ночного выделения желудочного сока (язвенные заболевания). Так же, как в случае барбитуратов, к ним возможно формирование привыкания и зависимости; наблюдается усиление действия бензодиазепинов на фоне принятия алкоголя и других депрессантов (веществ, снижающих активность ЦНС).
Механизм действия бензодиазепинов на ГАМКА-рецептор состоит в следующем: они связываются с активным центром, «настроенным» на особые пептиды — эндозепины, которые являются блокаторами ГАМКА-рецепторов (подавляют открывание СГ-канала) и вызывают возбуждение, страх, проконф-
ликтное поведение. Бензодиазепины функционируют как антагонисты эндозепинов и тем самым увеличивают уровень торможения в ЦНС. Сходным с эндозепинами действием обладают так называемые бета-карболины (возникают при взаимодействии серотонина с ацетальдегидом, который является продуктом метаболизма этилового спирта).
Несколько слов о ГАМКБ-рецепторах. Благодаря открыванию К+-каналов они способны вызывать не только тормозные постсинаптические потенциалы, но и гиперполяризацию пре- синаптических окончаний. Последняя снижает кальциевый ток и выброс медиаторов («пресинаптическое торможение»). За счет этого механизма ГАМКБ-рецепторы модулируют высвобождение моноаминов, особенно в лобной коре. Клиническое применение получил агонист ГАМКв-рецепторов баклофен, входящий в группу противосудорожных препаратов.
Инактивация ГАМК происходит в основном путем обратного всасывания в пресинаптическое окончание и последующего превращения в глутаминовую кислоту. Реакцию эту осуществляет особый фермент ГАМК-трансфераза. Его блокаторами являются соли вальпроевой кислоты. Они оказывают транквилизирующее и противосудорожное действие. Вальп- роаты особенно полезны при малых формах эпилепсии. Вызываемые ими побочные депрессантные изменения, как правило, минимальны.
ГАМК при попадании непосредственно в мозг вызывает тормозные эффекты. Однако через гематоэнцефалический барьер эта аминокислота проходит плохо (примерно на 1/10), а проникая в ЦНС, вызывает главным образом метаболические изменения. Тем не менее ГАМК в чистом виде (препарат ами- налон) используется в клинике при различных патологиях мозга: после инсультов и травм, при возрастных изменениях, сосудистых заболеваниях, умственной отсталости. Для ГАМК характерно мягкое психостимулирующее действие, реализуемое за счет улучшения работы тормозных интернейронов. Курс лечения обычно составляет несколько месяцев. Сходные эффекты вызывают также производные ГАМК оксибутират и фенибут, для которых более выражены транквилизирующие проявления. Эффективны также «гибриды» ГАМК и витаминов — пантогам (ГАМК плюс пантотеновая кислота — витамин В3) и пикамол (ГАМК плюс никотиновая кислота — витамин РР).
Все перечисленные соединения относятся к еще одной группе психотропных препаратов — ноотропам. Этот термин
был введен в 70-е годы для обозначения веществ, оказывающих стимулирующее действие на обучение и память, повышающих устойчивость нервной системы к неблагоприятным воздействиям, восстанавливающих нарушенные высшие функции мозга. Классическим представителем ноотропов считается пирацетам (ноотропил), мягко активирующий различные нейромедиаторные системы за счет улучшения метаболических процессов в нервных клетках.
ДРУГИЕ МЕДИАТОРЫ-НЕПЕПТИДЫ: ГИСТАМИН, АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА, ГЛИЦИН, ПУРИНЫ
Завершая разговор о медиаторах-моноаминах и медиаторах-аминокислотах, дадим краткую характеристику тем из них, которые относительно мало представлены в нервной системе человека. Из этого, конечно, не следует, что подобные соединения выполняют незначимые и второстепенные функции; скорее можно говорить о том, что им «поручены» некоторые особо ответственные задания, потребовавшие иной по сравнению с большинством зон ЦНС нейрохимической базы. Химическое строение некоторых медиаторов-непептидов см. ниже.
N — С—СН2—СН2—NH,II IIНС снXNZн „ГистаминNH2/С—сн2—СН— ноонАспарагиновая кислотаNH2сн— онN — С—СН2—СН2—NH,II IIНС снXNZн „ГистаминNH2/С—сн2—СН— ноонАспарагиновая кислотаNH2сн— онНСНСnh2nh2_С. ,N_С. ,N,0 1 носн2—НСсн\ /НС—сн,0 1 носн2—НСсн\ /НС—снон онон онАденозинАденозин
N — С—СН2—СН2—NH,
II II
НС сн
XNZн „Гистамин
NH2
/С—сн2—СН— ноон
Аспарагиновая кислота
NH2
сн— он
N — С—СН2—СН2—NH,
II II
НС сн
XNZн „Гистамин
NH2
/С—сн2—СН— ноон
Аспарагиновая кислота
NH2
сн— он
НС
НС
nh2
nh2
_С. ,N
_С. ,N
,0 1 носн2—НСсн
\ /
НС—сн
,0 1 носн2—НСсн
\ /
НС—сн
он он
он он
Аденозин
Аденозин
Глицин
Гистамин — еще один представитель моноаминов. Это соединение образуется из пищевой аминокислоты гистидина. Нейроны, использующие гистамин в качестве медиатора, локализованы в очень небольшой зоне — заднем гипоталамусе, но их проекции широко представлены во всей ЦНС. Под действием гистамина происходит облегчение пробуждения, стимулируется двигательная и половая активность, ослабляется болевая чувствительность и пищевое поведение. Выявлено два типа постсинаптических (Hj и Н2) и один тип пресинаптиче- ских (Н3) рецепторов к гистамину. Hj-рецепторы встречаются в большом количестве и на периферии, вызывая, например, спазм бронхов. Для периферических Н2-рецепторов наиболее характерна стимуляция выделения желудочного сока. Н,- и Н2-рецепторы играют также важную роль в развитии аллергических и иммунных реакций.
Клиническое применение (как антиаллергических препаратов) имеют в основном блокаторы Hj-рецепторов: димедрол, фенкарол, диазолин, тавегил, супрастин и др. Побочным эффектом их употребления может быть снижение активности нервной системы, сонливость. Блокаторы Н2-рецепторов (например, циметидин, зонтак) являются противоязвенными препаратами.
Аспарагиновая кислота (пищевая, заменимая) похожа на глутаминовую и действует на те же рецепторы. Встречается этот медиатор относительно редко. Так, в спинном мозге аспартат содержится в возбуждающих интернейронах, регулирующих различные врождённые рефлексы. Много аспарагиновой кислоты в нижней оливе — особом ядре на передней (вентральной) поверхности продолговатого мозга. Именно он является медиатором лазающих волокон, направляющихся из нижней оливы к мозжечку. Входя в кору мозжечка, лазающие волокна образуют синапсы на клетках Пуркинье. Срабатывание таких синапсов воздействует на системы вторичных посредников и вызывает различные метаболические изменения, в результате чего на несколько часов снижается эффективность синапсов между параллельными волокнами и дендритами клеток Пуркинье. Это явление названо долговременной депрессией. Оно играет важную роль в процессах моторного обучения. При повреждении нижней оливы выработка новых двигательных навыков резко затрудняется.
Глицин — заменимая пищевая аминокислота. Одновременно это и тормозной медиатор, хотя значительно менее рас-
пространенный, чем ГАМК. Большая часть глицинергиче- ских клеток выполняет весьма специфическую функцию. Они получают возбуждение от коллатералей аксонов мотонейронов. Далее их собственные аксоны направляются назад к мотонейронам и осуществляют их торможение. Его назначение — предохранение мотонейронов от перевозбуждения. Глицин выполняет свою медиаторную функцию в интернейронах вентральных рогов серого вещества спинного мозга, а также двигательных ядер черепных нервов (особенно подъязычного и тройничного). Некоторое количество глицинергических нейронов обнаруживается также в промежуточном мозге и ретикулярных ядрах продолговатого мозга.
Известен только один тип глицинового рецептора. Он является ионотропным и содержит СГ-канал. Специфическим блокатором канала является стрихнин — алкалоид тропического дерева чилибухи. В больших дозах он приводит к перевозбуждению мотонейронов, сильнейшим судорогам и удушью. В малых дозах (до 0,01 г) его иногда применяют как тонизирующее средство при быстрой утомляемости, гипотонии, мышечной атонии, параличах.
Интересно также, что три наиболее изученных ионотропных белка-рецептора — глициновый, никотиновый и ГАМКа имеют частично совпадающую первичную структуру. Это говорит об известной общности их эволюционного происхождения и родстве соответствующих генов.
Глицин в чистом виде назначают как успокаивающий (седативный) препарат, уменьшающий возбуждение в стволе головного мозга и, в частности, снижающий риск инфаркта. Глицин ослабляет также проявления абстинентного синдрома — депрессию, повышенную раздражительность, нарушения сна и двигательные нарушения (мелкие подергивания, тремор). Это позволяет применять его для лечения больных хроническим алкоголизмом.
Пурины (в первую очередь аденозин), а также АМФ, АДФ и АТФ — агонисты особых пуриновых рецепторов. Последние подразделяются на несколько типов, из которых особую значимость имеют Al-рецепторы. Последние являются метаботропными, в основном пресинаптическими; они подавляют аденилатциклазу, что приводит к падению выброса медиаторов. Физиологическая роль пуриновой системы связана с реакцией на АМФ, образующуюся при длительной интенсивной нагрузке мозга; АМФ (продукт распада АТФ) тормозит де-
ятельность синапсов, работая как «защитник» ЦНС в экстремальных ситуациях.
Блокаторы Al-рецепторов могут активировать многие медиаторные системы и весь мозг. К веществам с таким механизмом действия относят кофеин, теофилин и теобромин. Они содержатся в кофе, чае, какао, шоколаде, орехах кола (и напитках «кола»).
Кофеин как фармакологический препарат принадлежит к группе психомоторных стимуляторов. У большинства людей он повышает умственную и физическую работоспособность, уменьшает усталость и сонливость, усиливает сердечную деятельность. При постоянном введении в организм кофеина происходит нарастание количества пуриновых рецепторов, в результате отказ от кофе способен вызвать значительное снижение активности аденилатциклазы, что в свою очередь может привести к развитию депрессии, сонливости.
Кофеин в сочетании с анальгетиками входит в состав таких препаратов, как аскофен и цитрамон.
МЕДИАТОРЫ-ПЕПТИДЫ
Пептидные медиаторы — вещества, состоящие из цепочек аминокислот. Первым из них было открыто вещество Р (от powder — порошок), выделенное из сухого порошка спинного мозга. Этот пептид состоит из 11 аминокислот (рис. 3.39). Его введение в кровь в очень малых дозах вызывает расширение кровеносных сосудов и спазм кишечника (рецепторы находятся на гладких мышечных клетках).
Вещество Р вырабатывается нейронами спинномозговых ганглиев, связанными с восприятием болевой чувствительности. Пептид обнаруживается как в пресинаптических окончаниях их аксонов (задние рога спинного мозга), так и в чувствительных нервных окончаниях кожи. В задних рогах вещество Р работает (совместно с глутаминовой кислотой) как истинный медиатор, передающий сигнал на нейроны серого вещества. В коже оно выполняет гормоноподобную функцию, вызывая воспалительный процесс. Вырабатывается вещество Р и некоторыми интернейронами ЦНС. В таком случае оно содержится в пресинаптических окончаниях совместно с другими медиаторами (например, ГАМК).
Наиболее изученной группой пептидных медиаторов считаются опиоидные пептиды. Их название происходит от опи-
Рис. 3.39. Структурные схемы вещества Р (а), эндоморфина (6), мет-энкефалина (в) и лей-энкефалина (г)
ума — субстанции, выделенной из мака Papauer somniferum и обладающего анальгетическим и эйфорическим действием (рис. 3.40). Под влиянием опиума по мере увеличения дозы наблюдается обезболивание, успокоение и засыпание. В 1803 г. было выделено основное действующее начало опиума, названное морфином. Показано, что обезболивающие эффекты морфина осуществляются через задние рога спинного мозга, эйфорические влияния (безмятежность, отрешенность, «плавание в теплых облаках») — через гипоталамус, где расположен центр положительных эмоций. Засыпание связано с общим торможением стволовых структур. Сверхбольшие дозы морфина могут вызвать остановку дыхания. .
В 70-е годы были найдены рецепторы к морфину — опиоидные рецепторы. Затем в течение нескольких лет шел поиск присоединяющихся к ним эндогенных медиаторов. В итоге оказалось, что последние являются веществами пептидной природы (опиоидные пептиды). В настоящее время среди них выделяют в зависимости от первичной структуры эндоморфи- ны (4 аминокислоты), энкефалины (5 аминокислот), эндорфи-
ны (10 и более аминокислот), динорфины (8 и более аминокислот). Все опиоидные пептиды имеют две общие черты: они начинаются с тирозина, и недалеко от тирозина (через одну или две аминокислоты) находится фенилаланин.
Ситуация усложнилась, когда было показано, что опиоидные пептиды влияют по крайней мере на три типа рецепторов (мю-, дельта- и каппа-), причем морфин является агонистом лишь первого из них. Наиболее избирательными по отношению к мю-рецепторам являются эндоморфины; по отношению к дельта-рецепторам — энкефалины; по отношению к каппа-рецепторам — динорфины. Первичная структура этих рецепторов совпадает на 50—70%; все они (хотя и в разной мере) обладают обезболивающим, эйфорическим и тормозящим действием.
Синтез медиаторов-пептидов (в том числе опиоидных) протекает значительно сложнее по сравнению с синтезом медиаторов других групп. В ходе этого процесса рибосомы вначале строят белок-предшественник, а затем особые ферменты вырезают из него необходимые фрагменты, причем один белок может содержать внутри себя несколько медиаторов-пептидов.
Основной механизм действия опиоидов в ЦНС — преси- наптическое торможение выделения медиаторов. Рассмотрим его на примере задних рогов спинного мозга, передающих болевую чувствительность (рис. 3.41).
Из схемы видно, что, соединяясь с пресинаптическими рецепторами, энкефалины способны ослабить работу основного синапса двумя путями. Во-первых, они понижают активность
аденилатциклазы (АЦ) и синтез цАМФ; во-вторых, действуя через фосфолипазу, способствуют открыванию хемочувстви- тельных К+-каналов; в результате активность Са2+-каналов снижается, поскольку она зависит и от количества цАМФ, и от потенциала на мембране. Количество входящего кальция падает, это уменьшает выброс везикул с глутаматом и веществом Р, и передача боли ослабляется.
Опиоиды способны по тому же механизму блокировать выделение и других медиаторов — моноаминов и аминокислот. В ядрах шва они ослабляют активность ГАМК-ергической передачи, тормозящей серотониновые нейроны, поэтому под влиянием энкефалинов эти нейроны активируются, ослабляя проведение боли в спинном мозге.
Морфин и сходные с ним соединения — агонисты опиоидных рецепторов. Эти вещества вызывают очень сильное преси- наптическое торможение и могут привести к полному обезболиванию. Однако анальгетический эффект носит временный характер, поскольку проводящий боль нейрон быстро «нарабатывает» дополнительное количество аденилатциклазы. В этом и состоит механизм привыкания к морфину, когда для достижения эффекта нужно вводить все большее количество препарата (рис. 3.42). С каждым разом активность аденилатцикла-
Болевой сигналБолевой сигналПередача болевых сигналов на следующий нейронПередача болевых сигналов на следующий нейронОслабление болиОслабление болиРис. 3.41. Схема механизмов пресинаптического торможения: 1 — опиоидные пептиды; 2 — вещество Р; 3 — опиоидные рецепторы; 4 — К+-каналы; 5 — Са2+-каналыРис. 3.41. Схема механизмов пресинаптического торможения: 1 — опиоидные пептиды; 2 — вещество Р; 3 — опиоидные рецепторы; 4 — К+-каналы; 5 — Са2+-каналы
Болевой сигнал
Болевой сигнал
Передача болевых сигналов на следующий нейрон
Передача болевых сигналов на следующий нейрон
Ослабление боли
Ослабление боли
Рис. 3.41. Схема механизмов пресинаптического торможения: 1 — опиоидные пептиды; 2 — вещество Р; 3 — опиоидные рецепторы; 4 — К+-каналы; 5 — Са2+-каналы
Рис. 3.41. Схема механизмов пресинаптического торможения: 1 — опиоидные пептиды; 2 — вещество Р; 3 — опиоидные рецепторы; 4 — К+-каналы; 5 — Са2+-каналы
зы растет, что требует увеличения вводимой дозы для достижения анальгезии (привыкание).
При попытке отказа от морфина количество цАМФ в пресинаптическом окончании может оказаться гораздо выше нормы. Это приведет к более интенсивной передаче болевых и прочих сигналов. В таком случае можно говорить о возникновении зависимости, которая проявляется в абстинентном синдроме (глубокая депрессия, боли). Чтобы снять синдром, нужно вновь ввести морфин, и возникает замкнутый круг. Важно, что для опиоидов зависимость вырабатывается очень быстро — после 3—5 применений (в дофаминергической и ГАМК-ергических системах — после десятков и сотен применений).
Зависимость от морфина была обнаружена в XIX веке при применении его в госпиталях для обезболивания. Тогда возникла идея найти аналоги морфина, снимающие боль, но не приводящие к привыканию. В результате в конце века был синтезирован героин («героическое обезболивающее»)— препарат, в 10 раз более активный, чем морфин. Однако через несколько лет оказалось, что скорость привыкания к героину еще больше, — ив 20-е годы он был запрещен, перейдя из разряда лекарственных препаратов в разряд наркотиков.
В настоящее время опиум и героин производят в основном на Ближнем Востоке (Афганистан, Пакистан, Иран), в ЮгоВосточной Азии (Лаос, Бирма, Таиланд) и Мексике. Его рас-
Абстинентный синдром
Исходныйуровень
Анальг . гезия f ~Анальг . гезия f ~ВремяВремяМорфин Морфин МорфинМорфин Морфин МорфинРис. 3.42. Схема развития привыкания (/) и зависимости (//) при повторных инъекциях морфина
Анальг . гезия f ~
Анальг . гезия f ~
Время
Время
Морфин Морфин Морфин
Морфин Морфин Морфин
пространение контролируется организованными криминальными структурами, ряды которых пополняются наркоманами, попавшими в зависимость от героина. Кроме того, употребление этого препарата сопряжено с риском заражения СПИДом, гепатитом и другими заболеваниями, передающимися в том числе и через использованный шприц. Только в США количество героиновых наркоманов оценивается в 500 тыс. человек, и ежегодно регистрируется более 1 тыс. смертей от передозировки.
Тем не менее в клинике опиоиды остаются самыми мощными из известных анальгетиков и незаменимы для снятия наиболее тяжелой боли (травмы, злокачественные опухоли). При этом наряду с морфином используется кодеин — другой опиоид, содержащийся в маке. Он обладает более слабым анальгетическим и эйфорическим действием и входит в состав таблеток «Пенталгин» и «Седалгин». Кроме того, кодеин избирательно тормозит активность кашлевого центра и применяется как противокашлевый препарат.
Разработано также значительное количество синтетических аналогов морфина. Некоторые из них сравнимы с прототипом по активности (метадон), некоторые — слабее (пентазоцин; вызывает меньшее привыкание) или сильнее (фентанил; используется для анестезии). Все эти вещества относятся к группе наркотических анальгетиков. Их не следует смешивать с ненаркотическими анальгетиками, которые действуют не на ЦНС, а на возбудимость болевого рецептора (анальгин, ацетилсалициловая кислота — аспирин).
Используется в клинике и антагонист опиоидных рецепторов налоксон. Его применяют при передозировке наркотических анальгетиков и приеме сверхдоз морфина и героина. Применяется налоксон также для диагностики наркомании. Его введение вызывает (при наличии зависимости от опиатов) развитие проявлений абстинентного синдрома.
Вещество Р, энкефалины и эндорфины — это только отдельные представители регуляторных нейропептидов. Разнообразие этого класса медиаторов и модуляторов деятельности нервной системы чрезвычайно велико. В него входят сотни соединений, составляющие несколько десятков семейств. Далеко не для всех из них к настоящему времени найдены в ЦНС специфические рецепторы, и далеко не все они присутствуют в нервной ткани в заметном количестве. Дело в том, что многие нейропептиды являются фрагментами пептидных гормонов и гормонов-белков, выполняющих специфические функ-
ции в периферических органах. В этом случае их появление в мозге может быть следствием распада гормона в плазме крови или лимфе. Однако многие нейропептиды вырабатываются нервными клетками в дополнение к основным медиаторам и, накапливаясь в везикулах, выбрасываются из пресинаптиче- ского окончания. В этом случае они обычно вызывают не открывание ионных каналов, а медленные метаболические изменения в постсинаптической клетке (что и подразумевает термин «модуляторы деятельности нервной системы»).
Приведем несколько примеров. Тиролиберин (один из ли- беринов гипоталамуса) одновременно способен активировать эмоциональное поведение и бодрствование, а также дыхательный центр. Холецистокинин — стимулятор сокращений желчного пузыря; его короткий участок вызывает тревожность и страх. Вазопрессин управляет деятельностью почек; его фрагменты активируют процессы запоминания. Адренокортикотропный гормон «включает» надпочечники; его участки стимулируют внимание и классифицируются как ноотропы. Представителем последнего семейства является используемый в клинике препарат «Семаке» — пептид, состоящий из семи аминокислот. Его интраназальное (закапывание в нос) применение позволяет улучшить состояние поврежденных или незрелых нервных клеток, в связи с чем семакс используется после инсультов, травм, при дегенерациях сетчатки и периферических нервов.
Существуют нейропептиды, избирательно управляющие половым поведением, пищевой мотивацией, терморегуляцией. В целом соединения этой группы образуют сложную иерархическую систему, в которой одни нейропептиды активируют или подавляют высвобождение других нейропептидов. Последние способны воздействовать как на метаболизм нейронов, так и на функционирование «классических» медиаторных систем; при этом сфера влияний конкретного нейропептида часто ограничивается узким кругом эффектов, связанных, например, только с какой-либо одной биологически значимой потребностью или с определенным типом памяти.
ФИЗИОЛОГИЯ
ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИНЦИПАХ ОРГАНИЗАЦИИ ПОВЕДЕНИЯ.
КОМПЬЮТЕРНАЯ АНАЛОГИЯ РАБОТЫ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
Термин высшая нервная деятельность (ВНД) был введен в науку академиком Иваном Петровичем Павловым (1849— 1936), считавшим его равнозначным понятию «психическая деятельность». Действительно, объект изучения психологии и физиологии высшей нервной деятельности — работа мозга; эти науки объединяет и ряд общих методов исследования. Вместе с тем психология и физиология ВНД изучают разные стороны работы мозга. Физиология ВНД исследует механизмы деятельности всего мозга, отдельных его структур и нейронов, связи между структурами и их влияние друг на друга, механизмы поведения. Психология изучает результаты работы ЦНС, проявляющиеся в виде образов, идей, представлений и других психических проявлений. Труды психологов и физиологов ВНД всегда тесно переплетались, используя достижения обеих наук. В последние десятилетия даже возникла новая наука — психофизиология, основной задачей которой является изучение физиологических основ психической деятельности.
Мысль о том, что психическая деятельность осуществляется при участии нервной системы, возникла еще до нашей эры, но каким образом это происходит — очень долго оставалось неясным. Даже сейчас нельзя сказать, что механизмы работы мозга полностью раскрыты, особенно когда речь идет о мозге
человека — самом сложном из известных объектов научных исследований.
Первым ученым, доказавшим участие нервной системы в поведении, был римский врач Гален (II век н. э.). Он обнаружил, что головной и спинной мозг связаны со всеми органами нервами и что разрыв нерва, соединяющего мозг и мышцу, приводит к параличу. Он также показал, что при перерезке нервов, идущих от органов чувств, организм перестает воспринимать раздражители.
Зарождение физиологии мозга как науки связано с работами французского математика и философа Рене Декарта (XVII в.). Именно он создал представление о рефлекторном принципе работы организма. Правда, сам термин «рефлекс» был предложен в XVIII в. чешским ученым Й. Прохазкой.
Декарт рассматривал организм как машину, действующую по принципу несложных механизмов того времени (часы, кузнечный мех). Он считал, что внешнее воздействие натягивает «нити», идущие в сенсорных нервах от органов чувств к мозгу (рис. 4.1). Зрительный сигнал, действуя на глаз 1, приводит в движение зрительный нерв 2, который открывает в головном мозге особый клапан 3. При открывании клапана «животные духи» начинают по двигательному нерву 4 поступать в мышцу 5, раздувая ее, что и приводит к сокращению мышцы (движению).
Несмотря на упрощенность, концепция Декарта учитывает целый ряд существенных особенностей работы мозга, а именно: органом, управляющим поведением, является головной мозг; мышечная реакция порождается изменениями в примы-
кающем к мышце нерве; процессы, происходящие в сенсорных нервах, отражаются на двигательных нервах. Последнее положение — это описание рефлекса, который определяется как осуществляемая при участии нервной системы ответная реакция организма на некоторый стимул. Декарт считал, что по такому принципу происходят только простые, непроизвольные движения.
Наряду с этим он признавал наличие души, которая обеспечивает сложное целесообразное поведение человека. Представления Декарта легли в основу теорий, развиваемых физиологами в течение последующих двух веков, в том числе в основу работ И. М. Сеченова, о которых будет рассказано ниже.
В начале XX века сформировалось несколько научных направлений, которые рассматривали рефлекторный принцип как основу поведения человека и животных. Наиболее известны из них школа классической физиологии ВНД И. П. Павлова и американская школа бихевиоризма (Б.-Э. Торндайк, Дж. Уотсон). Создатели этих направлений, сводя поведение к принципу «стимул —> реакция», понимали, конечно, что упрощают реальную картину работы мозга. Но именно подобное упрощение позволило выявить многие базовые принципы обучения, обработки сенсорной информации и формирования двигательных навыков.
Затем появилась необходимость ввести между стимулом и реакцией дополнительное звено и преобразовать исходную схему в форму «стимул —> мозг —> реакция». Это дополнение отражает то, что ученые осознали и попытались учесть зависимость поведения не только от сенсорных сигналов, но и от внутренних процессов, происходящих в ЦНС. К последним можно отнести память, работу со сложными сенсорными образами, мотивации и эмоции. Возникали и развивались новые психологические школы, специализирующиеся на изучении этих явлений (гештальпсихология, психоанализ, когнитивная психология, различные течения возрастной психологии).
Результатом параллельных исследований физиологов ВНД явилось создание концепции о функциональной системе работы мозга, сформулированной П. К. Анохиным (рис. 4.2). Функциональная система включает в себя блоки сенсорных систем, памяти, потребностей и мотиваций, а также блок регуляции уровня бодрствования. Эти четыре составляющие передают свои сигналы на блок принятия решений — центральное звено всей функциональной системы. Именно здесь на основе имеющейся у индивидуума информации происходит
выбор программы поведения и запуск ее реализации, для чего сигнал передается на двигательные системы мозга, которые осуществляют непосредственное управление мышцами.
Особое значение имеет включенная в структуру функциональной системы работы мозга обратная связь между результатами поведения и блоком принятия решений. Любое мышечное сокращение приводит к изменениям сенсорных потоков (конечности перемещаются в пространстве, изменяется зрительная афферентация). Эти изменения и есть, по сути, результаты поведения, которые регистрируют сенсорные системы. Полученная информация учитывается блоком принятия решений при выборе новой программы или используется для корректировки еще не завершенного поведенческого акта. Таким образом обеспечивается цикличность и непрерывность поведения, когда результаты одного этапа деятельности являются предпосылками для запуска следующего ее этапа.
Функциональная система мозга как формализованная схема работы ЦНС ближе к реальности, чем чисто рефлекторные представления, но и в этом случае мы вынуждены проводить целый ряд упрощений — иначе предлагаемая схема приобретет слишком громоздкий вид. Так, блок памяти включает в себя двигательную (процедурную) и сенсорную (декларативную) память, одновременно подразделяясь на целый ряд типов кратковременной и долговременной памяти. Наиболее
Оценка результатов поведения
Рис. 4.2. Упрощенная схема функциональной системы работы мозга, предложенная П. К. Анохиным
сложную деятельность блока принятия решений обеспечивают ассоциативные структуры мозга, а также центры положительного и отрицательного подкрепления, регулирующие обучение и уровень эмоций. Все эти вопросы в той или иной мере будут освещены в следующих главах.
Работа мозга чрезвычайно сложна, и, пытаясь описать ее принципы, мы вынуждены прибегать, помимо использования собственно физиологических данных, еще и к аналогиям. При этом наиболее полезным оказывается сравнение ЦНС с объектами из мира техники. Так, Декарт сравнивал работу мозга с пневматической машиной. В конце XIX века ЦНС представляли телефонной станцией, где нервы — провода, а информация передается в виде электрических сигналов. Вступая в XXI век, мы сравниваем мозг с компьютерами.
Принципиальное устройство вычислительной машины (например, персонального компьютера высокого класса) сходно с функциональной системой мозга, при этом блокам сенсорных и двигательных систем соответствуют устройства ввода (клавиатура, мышь, сканеры) и вывода (дисплей, принтеры, звуковые колонки). Присутствует в компьютере и память (кратковременная и долговременная); блоку принятия решений соответствует процессор. Но есть и существенные различия. Одно из них касается быстродействия.
И в вычислительной машине, и в мозге информация передается в виде стандартных электрических импульсов. Однако в первом случае частота передачи составляет сотни миллионов и миллиарды импульсов в секунду. В случае ЦНС эта величина не превышает 1000 Гц (поскольку длительность потенциала действия не может быть меньше 1 мс). Каким же образом мозг компенсирует эту разницу? Очевидно, что за счет огромного числа каналов передачи информации — аксонов, по которым распространяются сигналы. Сама организация ЦНС обеспечивает возможность широкой параллельной обработки информации в различных нервных структурах, что резко ускоряет производимые «вычисления» и увеличивает надежность всей системы, устраняя последствия возможной потери сигнала одним из каналов.
Главное отличие нервной системы от компьютера — в сути выполняемых ими задач. Компьютер создан для осуществления быстрых операций с точными числами, а целью работы мозга является то, что можно назвать вероятностным прогнозированием изменений в окружающей среде и организацией реакций организма, исходя из сделанного прогноза.
Иными словами, достаточно сложно организованная ЦНС все время пытается заглянуть в будущее и учитывает результаты таких попыток, запуская поведенческие реакции; при этом рассматриваются несколько возможных вариантов реагирования, и, если их «привлекательность» для мозга достаточно близка, мы не сможем с точностью предположить, какая программа действий будет выбрана. Это делает поведение индивидуума до определенной степени непредсказуемым, вероятностным, создает «шум» в работе нейронных сетей, безусловно, полезный по двум причинам.
Во-первых, ЦНС оказывается способной к перебору разных вариантов решения одной и той же задачи, что увеличивает вероятность нахождения наиболее оптимального из них. Особенно важно это при помещении особи в некоторые новые условия, когда метод проб и ошибок оказывается единственным приемлемым путем, например, для выхода из запертой камеры или для достижения пищи. Во-вторых, относительная непредсказуемость поведения выполняет в ходе эволюции защитные функции, поскольку предоставляет животному шанс спастись от хищника, который не может с точностью предугадать реакции своей потенциальной жертвы.
Наиболее правомерно сравнивать ЦНС не с одним компьютером, а с целым комплексом вычислительных центров, что схематически изображено на рис. 4.3. Каждый блок функциональной системы мозга можно представить в виде иерархически организованного комплекса вычислительных устройств, низшие из которых выполняют более простые операции (например, в случае зрительной системы идентифицируют светлые и темные точки). Чем выше в иерархии расположено устройство, тем более сложные функции с ним связаны (для зрительной системы задачами максимального уровня сложности являются чтение и узнавание лиц). При этом возможен очень широкий обмен информацией между отдельными «вычислительными устройствами» не только в рамках одной системы-центра (двигательного, центра памяти), но и между ними. Иными словами, мозгу чужда авторитарность, и «нижестоящие» не нуждаются в разрешении «вышестоящих» для осуществления самых разнообразных контактов. Как правило, вышестоящие области стараются передать рутинные (многократно повторяемые) функции нижестоящим, высвобождаясь для выполнения более нестандартных, «творческих» задач. Наиболее яркий пример этого — автоматизация навыков в двигательных системах.
Центры памяти
Рис. 4.3. Компьютерная аналогия работы мозга, рассматривающая ЦНС как совокупность иерархически организованных вычислительных центров, состоящих в тесной взаимосвязи: 1 — обработка информации внутри центра («от простого к сложному»); 2— сознательный уровень работы мозга; 3 — обмен информацией между центрами
Аналогия «компьютерных центров» мозга позволяет сделать еще одно важное заключение. Легко понять, что наиболее сложные функции ЦНС сосредоточены на вершинах «пирамид» (рис. 4.3). В полной мере это относится и к такому высочайшему проявлению работы мозга, как сознание; вся остальная часть «айсберга» — это подсознательная сфера. Конечно, следует учитывать, что центры нашего сознания имеют возможность подключения к подавляющему большинству «вычислительных устройств» мозга. Момент осуществления такого контакта — это момент переноса и удержания внимания на некотором объекте, воспринимаемом органами чувств, совершаемом необычном движении или внутреннем субъективном состоянии. Однако число таких контактов, осуществляемых в одно и то же время, очень ограничено и часто равно единице.
Таким образом, наше сознание можно уподобить «пользователю», находящемуся в огромном компьютерном комплексе. Пользователь стремится контролировать работу отдельных вычислительных устройств, для чего ему необходимо быстро переходить от одного компьютера к другому. При этом комплекс продолжает работать, и вычислительные устройства в от-
сутствии пользователя (без контроля сознания) продолжают более или менее успешно выполнять свои функции. Некоторым из них пользователь может даже мешать, а в отдельных случаях вход в те или иные программы запрещен, поскольку был бы вреден для организма в целом; в частности, мы не можем сознательно контролировать работу гипоталамуса (в том числе его эндокринную активность) и многие вегетативные функции.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ УЧЕНИЯ
О ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИОЛОГИИ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Самая известная книга Ивана Михайловича Сеченова (1829—1905) «Рефлексы головного мозга» увидела свет в 1863 г. В ней ученый доказал, что рефлекс — это универсальная форма взаимодействия организма со средой, т. е. рефлекторный характер имеют не только непроизвольные, но и произвольные, сознательные движения. Они начинаются с раздражения каких-либо органов чувств и продолжаются в мозгу в виде определенных нервных явлений, приводящих к запуску поведения.
Сеченовым были впервые описаны тормозные процессы, развивающиеся в ЦНС. У лягушки с разрушенными большими полушариями он исследовал реакцию на раздражение задней лапки раствором кислоты: в ответ на болевой стимул лапка сгибалась. Сеченов обнаружил, что, если предварительно наложить на средний мозг кристаллик соли, время реакции увеличивается. На основании этого он заключил, что в ЦНС возможно развитие центрального торможения.
Сеченовым был сделан вывод, что мозг — это область непрерывной смены возбуждения и торможения. Два эти процесса постоянно взаимодействуют друг с другом, что приводит как к усилению, так и к ослаблению (задержке) рефлексов. ЦНС не просто пассивно реагирует на внешние раздражители, но может усиливать действие одних стимулов и затормаживать действие других, поэтому организм реагирует на одни раздражители и не реагирует на другие. Он также обратил внимание на существование врожденных и приобретенных рефлексов. Он отмечал, что последние, являясь результатом
обучения, способны меняться в целях приспособления организма к условиям окружающей среды.
Выводы и догадки Сеченова оказались для своего времени удивительно верными, но большинство из них получило прямое подтверждение только после создания объективного лабораторного метода исследования поведения. Такой метод был разработан И. П. Павловым уже в XX веке.
Первую половину своей научной деятельности Павлов посвятил физиологии пищеварения. Для изучения секреторной деятельности пищеварительной системы — желудка и слюнных желез им были разработаны специальные (основанные на выведении протоков желез, наложении фистул) методы, позволяющие точно определить интенсивность секреции слюны и желудочного сока. За эти работы в 1904 г. И. П. Павлов был удостоен Нобелевской премии.
Исследуя особенности работы пищеварительной системы, Павлов анализировал различные врожденные рефлексы, возникающие при помещении пищи в ротовую полость и желудок. В ходе изучения выделения желудочного сока и слюны у собак Павлов заметил, что эти секреты выделяются не только при соприкосновении еды со слизистой рта и желудка, но и когда животное видит пищу, чувствует ее запах, слышит звон посуды, из которой его кормят. Это явление, названное «психическим слюноотделением», было известно и раньше. Например, все знают, что при взгляде на лимон (или даже при мысли о нем) слюнные железы начинают интенсивно работать. Но до Павлова считали, что подобные процессы невозможно изучать экспериментальными методами.
Работая с физиологией пищеварения, Павлов рассматривал «психическое слюноотделение» как фактор, нарушающий чистоту опытов, и всячески стремился избавиться от его влияния. Соответственно эксперименты с животными в его лаборатории стали проводить в звукоизолированных камерах, строго ограничивая внешние сенсорные воздействия. Однако наступил момент, когда исследователи осознали, что выделение слюны, например, на звук шагов служителя, обычно кормящего собаку, — это следствие процессов обучения, и в этом случае они имеют дело с приобретенным рефлексом. Теперь оставалось сделать самый важный шаг — суметь организовать процедуру опыта так, чтобы ее следствием всегда была выработка приобретенных рефлексов.
Иными словами, Павлов поставил перед собой следующие вопросы: любой ли исходно незначимый (индифферентный)
для животного стимул можно сделать запускающим для врожденного рефлекса слюноотделения? Если да, то при каких условиях? Результатом решения этих вопросов стала разработка метода обучения экспериментальных животных (метод выработки условных рефлексов).
Процедура опыта была организована следующим образом (рис. 4.4). Собака помещалась в экспериментальную камеру, где ее подвижность ограничивали специальными ремнями, затем экспериментатор включал сенсорный стимул, исходно не связанный с пищей (поэтому применялись сугубо искусственные сигналы — включение лампочек, звонков, метрономов). После определенного периода (несколько секунд), в течение которого стимул действовал на животное, к нему в кормушку автоматически подавалось небольшое количество пищи, которую собака съедала. В момент окончания еды стимул выключали. Далее делалась пауза в несколько минут, после чего процедуру повторяли. При этом регистрировалось количество капель слюны, выделившейся у животного в стро-
1
Рис. 4.4. Устройство для изучения условных слюноотделительных рефлексов по И. П. Павлову: 1 — панель с приспособлениями для подачи условных стимулов; 2 — сменная кормушка; 3 — устройство для подсчета капель слюны
Рис. 4.5. Кривая обучения в классическом эксперименте И. П. ПавловаРис. 4.5. Кривая обучения в классическом эксперименте И. П. Павлова
Рис. 4.5. Кривая обучения в классическом эксперименте И. П. Павлова
Рис. 4.5. Кривая обучения в классическом эксперименте И. П. Павлова
го определенный интервал — от момента включения исходно незначимого стимула (например, лампочки) до момента подачи пищи. После этого регистрировать слюноотделение не имело смысла, так как в действие вступал врожденный рефлекс.
Полученные Павловым и его сотрудниками данные можно выразить графически (рис. 4.5). Увеличение слюноотделения под действием исходно незначимого стимула приводит к формированию нового (приобретенного) рефлекса, позволяющего животному «предугадывать» появление пищи. Видно, что кривая обучения имеет характерную S-образную форму, и первые сочетания не вызывают (или почти не вызывают) реакции. В дальнейшем мы наблюдаем, что мозг быстро устанавливает связь между фактом включения лампочки и последующей подачей пищи, и интенсивность слюноотделения быстро нарастает. К 8—10 сочетанию она выходит на относительно стабильный уровень, и это свидетельствует о том, что формирование нового приобретенного рефлекса фактически завершено. Таким образом, исходно индифферентный сигнал стал запускающим для врожденного рефлекса слюноотделения, т. е. присоединился к нему, надстроился над ним. Как можно представить этот процесс, зная расположение и взаимные связи различных центров в головном мозге собаки? Ответ на этот вопрос дает рис. 4.6.
Рассмотрим сначала врожденные компоненты описанного поведения. Когда пища попадает в рот животного, она действует на вкусовые рецепторы языка. В результате сигналы по сенсорным нервам поступают в центр вкуса, расположенный на границе продолговатого мозга и моста. Нейроны данных ядер образуют контакты с находящимися в непосредственной
близости от них центрами слюноотделения 2; нервное возбуждение поступает в эти центры и направляется далее — к слюнным железам 3, запуская рефлекс слюноотделения. Эта рефлекторная дуга является врожденной, и ее присутствие обязательно для здорового мозга любого наземного позвоночного.
Сигналы от центров вкуса продолговатого мозга и моста, кроме того, передаются вперед — к структурам переднего мозга. Часть таких сигналов достигает центров вкуса коры больших полушарий, расположенных в островковой доле, благодаря чему можно сознательно воспринимать и анализировать
Рис. 4.6. Нервные процессы, обеспечивающие формирование рефлекса слюноотделения в ответ на включение лампочки: 1 — центр вкуса в продолговатом мозге и мосту; 2 — центр слюноотделения; 3 — слюнная железа; 4 — центр вкуса в коре больших полушарий; 5 — корковый зрительный центр; 6 — стрелки, обозначающие врожденные нервные связи; 7 — стрелка, обозначающая сформированную приобретенную связь
вкусовые ощущения. Специфика корково-подкорковой передачи информации такова, что нервные волокна здесь направляются в обе стороны (обратные связи между центрами 1 и 4).
Действие лампочки приводит к активации фоторецепторов, нейронов сетчатки и зрительных центров головного мозга 5, в том числе оказывается возбужденной и зрительная затылочная область коры больших полушарий.
Пока все перечисленные связи обладают свойством врожденности. В чем же проявляются тогда последствия процедуры обучения? Павлову удалось доказать, что при выработке приобретенных рефлексов происходит формирование новых нервных связей в коре больших полушарий, в нашем примере — это связь между зрительным и вкусовым центрами. Если она установилась, то возбуждение, возникшее в результате включения лампочки, будет автоматически достигать центров слюноотделения и запускать реакцию, которая исходно включалась только действием на вкусовые рецепторы.
Важно осознать, что все сказанное имеет характер фундаментального принципа, по которому идет переработка, накопление и использование мозгом информации. После первых опытов, в которых в качестве измеряемого параметра служило количество выделяемой слюны, было доказано, что приобретенные рефлексы можно образовать на базе любого врожденного рефлекса (например, оборонительного, возникающего в ответ на повреждающее болевое воздействие). Исходно незначимыми стимулами могут быть также любые сигналы, воспринимаемые органами чувств, — звуковые, слуховые, тактильные и прочие раздражители.
Таким образом, в результате обучения происходит формирование новых нервных связей между сенсорными центрами, возбуждаемыми исходно индифферентными сигналами, и центрами, связанными с текущими врожденными рефлексами (по Павлову, представительства безусловных рефлексов). Принципиально важно, что это должны быть корковые центры, поскольку именно нейроны коры больших полушарий обладают максимально выраженной способностью к установлению новых контактов (механизмы этого процесса будут рассмотрены ниже). В результате на базе врожденных рефлексов возникают разнообразные приобретенные рефлексы, и с каждым корковым представительством врожденного рефлекса может установить связь огромное количество сенсорных центров.
Анализ экспериментальных данных позволил Павлову определить условия, при которых образуются приобретенные рефлексы. Перечислим основные из них.
Обычно необходимо неоднократное сочетание исходно незначимого стимула и врожденного рефлекса. Вместе с тем в некоторых ситуациях приобретенный рефлекс может выработаться даже после одного сочетания (при оборонительных реакциях).
Важно, чтобы исходно незначимый стимул несколько опережал начало врожденного рефлекса. В противном случае приобретенный рефлекс не образуется или образуется с большим трудом.
Необходимо, чтобы ЦНС находилась в нормальном, работоспособном состоянии. При болезненном, утомленном или сонном состоянии, а также при перевозбуждении выработка приобретенных рефлексов заметно затрудняется.
Необходима изоляция животного от различных посторонних раздражителей, способных вызвать так называемое внешнее торможение (см. ниже).
Если все эти условия выполняются, то новый приобретенный рефлекс обязательно будет выработан, а в коре больших полушарий возникает новая нервная связь. В случае человека обязательность происходящего обучения означает, что новые нервные связи сформируются вне зависимости от сознательного желания.
Поскольку Павлову удалось доказать, что приобретенные рефлексы возникают при вполне определенных условиях, он назвал этот тип реакций условными рефлексами. Течение врожденных рефлексов относительно мало зависит от условий окружающей среды, в связи с чем Павлов назвал этот тип рефлексов безусловными.
Безусловные рефлексы врожденные, они предопределены генетически и наследуются, передаваясь от родителей потомству. Будучи наследуемым фактором, они подвержены действию естественного отбора, т. е. эволюционируют так же, как и другие внешние и внутренние признаки организма. В результате этого в ряду поколений происходит сохранение тех безусловных рефлексов, которые дают особям преимущества в борьбе за существование. Наличие определенного набора безусловных рефлексов является видоспецифичным признаком. Сложные комплексы безусловных рефлексов, часто организованные по принципу цепи, когда результат одного рефлекса запускает следующий рефлекс, называют также инстинкта-
ми. В течение жизни особи врожденные инстинктивные схемы поведения быстро дополняются приобретенными (условно-рефлекторными) компонентами.
В основе каждого конкретного безусловного рефлекса лежит цепь нервных клеток (рефлекторная дуга), формирование которой происходит еще в эмбриональном периоде. Каждая такая дуга имеет определенную, генетически заданную локализацию в ЦНС животного. В случае позвоночных мы можем сказать, что дуги наиболее простых безусловных рефлексов расположены в спинном мозге. Чем сложнее врожденная реакция, тем ближе к переднему мозгу локализованы обеспечивающие ее нейроны, и центры наиболее сложных безусловных рефлексов обнаруживаются в гипоталамусе, являясь, по сути, центрами биологически значимых потребностей.
Запуск каждого безусловного рефлекса осуществляется очень узким, генетически предопределенным набором сигналов (пища, боль). Если такой раздражитель подействовал на организм, реакция обязательно будет запущена, и чем сильнее раздражитель, тем более выражена реакция. Для обозначения сигналов, запускающих безусловные рефлексы, часто используется термин подкрепление. Следовательно, первое из условий выработки приобретенных рефлексов можно сформулировать следующим образом: «Необходимо повторное сочетание исходно незначимого стимула и подкрепления».
Условные рефлексы являются приобретенными, т. е. индивидуальны. ЦНС каждой конкретной особи формирует уникальный набор условных рефлексов как результат собственного жизненного опыта. Условные рефлексы не наследуются, поскольку не существует механизмов переноса индивидуального опыта нейронных сетей на структуру ДНК, которая, собственно, и передается потомству.
Рефлекторные дуги, на базе которых реализуются условные реакции, по классическим представлениям Павлова, локализованы в коре больших полушарий. В настоящее время известно, что процессы обучения захватывают также такие области головного мозга, как кора мозжечка и полосатое тело базальных ганглиев. Нервную связь, возникающую при формировании условного рефлекса, Павлов назвал также условной связью и временной связью. Второй термин подчеркивает относительную нестойкость приобретенных рефлексов, их способность при выполнении определенных условий не только
ВОЗНИКНОВЕНИЕ УЧЕНИЯ О ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 199 укрепляться, стабилизироваться, но и ослабляться, блокироваться.
Запуск условного рефлекса может осуществляться любым исходно индифферентным стимулом, если в ходе обучения произошло установление временной связи между соответствующим сенсорным центром и корковым представительством безусловного рефлекса. При этом исходно индифферентный сигнал приобретает для организма значимость и превращается в условный стимул (условный раздражитель).
Попробуем теперь разобраться в функциональном значении условных рефлексов. По какой причине они появляются в ходе эволюции и какую пользу приносят? Легко понять, что даже самый полный набор безусловных рефлексов не способен вместить все разнообразие стимулов, с которыми особь может столкнуться в реальной жизни. Таким образом, условные рефлексы, возникая как надстройка над врожденными схемами поведения, во много раз расширяют возможности реагирования организма (рис. 4.7).
Однако это еще не все. Чем по сути своей являются условные раздражители? Это факторы внешней среды, которые несколько раз совпали с действием подкрепления. Исходя из этого, мозг, способный к формированию условных связей,
УсловнаяУсловнаяИсходно незначимый стимулИсходно незначимый стимулсвязьсвязь
Условная
Условная
Исходно незначимый стимул
Исходно незначимый стимул
связь
связь
Рис 4.7. Схема, иллюстрирующая представление о «надстраивании» приобретенных (условных) рефлексов под врожденными (безусловными): 1 — сенсорный нейрон, воспринимающий действие подкрепления; 2 — релейный (передающий) нейрон; 3 — двигательный (вегетативный) нейрон, запускающий ответную реакцию; 4 — сенсорный нейрон, воспринимающий действие исходно незначимого стимула; нейроны 1, 2, 3 образуют дугу безусловного рефлекса, нейроны 4,2,3 — дугу условного рефлекса
рассматривает их в дальнейшем как сигналы, сопутствующие подкреплению и сигнализирующие о скором его появлении. Упрощая ситуацию, можно сказать, что существо, обладающее только безусловными рефлексами, ест тогда, когда наткнется на пищу. Если же особь способна вырабатывать условные рефлексы, то ранее ей неизвестный запах после нескольких совпадений с пищей приобретет функции «подсказки». Почувствовав этот запах, особь начнет более активно совершать поисковые движения, поскольку получила сигнал о близости подкрепления. В результате такой организм окажется способным более успешно добывать пищу, чем существо, «запрограммированное» только на безусловно-рефлекторные реакции.
Аналогичные примеры можно привести для оборонительного, полового и прочих жизненно важных типов поведения. В целом это значит, что обладание способностью к формированию условных рефлексов дает организму преимущества в борьбе за существование, позволяет ему с большей вероятностью выживать и оставлять потомство.
Появление условных рефлексов в ходе эволюции поведения означает переход ЦНС к реакциям вероятностного прогнозирования изменений во внешней среде. Условные стимулы выделяются мозгом из сенсорного потока как факторы, сигнализирующие о скором появлении подкрепления. Реагирование на них позволяет запустить ту или иную поведенческую программу заранее, еще до появления подкрепления, подготовиться к наступающим событиям и опередить возможных конкурентов. Чем крупнее относительно размеров тела мозг, тем большее место в поведении особи имеют приобретенные реакции, сложность которых увеличивается в филогенезе. Вторым шагом на пути роста способности к вероятностному прогнозированию стало появление речевых систем мозга (см. разд. 4.10).
Итак, мы ввели основные понятия физиологии ВНД, которые будем использовать при дальнейшем изложении материала.
Павлов определил ВНД как деятельность высших отделов нервной системы, в основе которой лежат условные и сложные безусловные рефлексы. Существует также понятие низшей нервной деятельности как совокупности относительно простых врожденных вегетативных реакций. Высшая нервная деятельность — это поведение животных и человека, она присуща всем животным, обладающим нервной системой.
РАЗНООБРАЗИЕ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ
Врожденные формы поведения (безусловные рефлексы и инстинкты) выработались в процессе эволюции как результат приспособления к определенным, относительно постоянным условиям среды. Они наделяют особь комплексом поведенческих программ, готовых к употреблению при первой необходимости. Их роль в поведении преобладает в случае животных с коротким временем жизни (беспозвоночные). Например, самка дорожных помпилов (одного из видов одиночных ос) появляется из куколки весной и живет только несколько недель. За это время она должна успеть встретиться с самцом, поймать добычу (паука), выкопать норку, затащить паука в норку, отложить яйцо, запечатать норку — и так несколько раз. Оса выходит из куколки уже «взрослой» и сразу же готова к выполнению своей деятельности. Это не значит, что пом- пила не способна к обучению. Например, она может и должна запоминать место расположения своей норки, что требует формирования соответствующего условного рефлекса.
У высокоорганизованных позвоночных животных ситуация иная. Например, волчонок рождается слепым и совершенно беспомощным. Конечно, при рождении у него присутствует ряд безусловных рефлексов, но их явно недостаточно для полноценной жизни. По мере роста происходит процесс интенсивного обучения, в результате чего животное готово к самостоятельному существованию.
Изучением жизни и поведения особи в естественной для нее среде занимается наука этология. Наиболее сложная задача, стоящая перед ней, — описать взаимодействие врожденных и приобретенных компонентов поведения. Действительно, по ходу жизни на инстинктивную деятельность животного накладываются дополнительно образовавшиеся условные рефлексы, и поскольку у разных особей они отличаются, то и конечные проявления инстинктов, преследуя общую цель, также могут отличаться у разных представителей одного вида. Например, птицы, обитающие в разных местностях, могут использовать при постройке гнезда разные материалы. Ведущая роль в создании этологии как самостоятельной науки принадлежит австрийскому ученому К. Лоренцу и голландскому ученому Н. Тинбергену.
Физиология ВНД, со своей стороны, изучает поведение животных в строго контролируемых лабораторных условиях. Конечно, это поведение проще, чем в реальной природной сре-
де. Но именно такое упрощение позволяет анализировать механизмы деятельности мозга, которые в противном случае могут быть замаскированы различными случайными реакциями.
Разнообразие безусловных рефлексов предполагает и разнообразие способов их подразделения на типы. В качестве примера приведем классификацию, которая была предложена академиком П. В. Симоновым. Она достаточно полно учитывает все основные варианты врожденного поведения (табл. 4.1).
Таблица 4.1
ТИПЫ БЕЗУСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ (ПО П. В. СИМОНОВУ)
Витальные
Зоосоциальные
Саморазвития
Пищевые, питьевые
Пассивно- и активно-оборонительные
Гомеостатические
Груминг
Рефлекс экономии сил
Половые
Детское и родительское поведение
Территориальные
Стайные (иерархические)
Исследовательские
Рефлекс свободы
Подражательные
Игровые
Симонов предложил выделить три группы безусловных рефлексов: витальные (лат. vita — жизнь), зоосоциальные и саморазвития, различающиеся по особенностям взаимодействия с окружающей средой и другими особями своего вида. Витальные рефлексы можно определить как направленные на сохранение самой жизни индивидуума. Они отвечают двум условиям: во-первых, невыполнение того или иного рефлекса из этой группы ведет к гибели особи; во-вторых, реализация витального рефлекса не требует участия другой особи того же вида. К зоосоциальным (ролевым) рефлексам отнесены те варианты врожденного поведения, которые возникают при взаимодействии с другими особями своего вида. Сложнее всего определяются рефлексы саморазвития. Симонов предлагает отнести в эту группу реакции, не связанные с адаптацией к текущей ситуации, а как бы «обращенные в будущее». Если наблюдать за реализацией такого рефлекса, то он нередко вы-
глядит как бессмысленный поведенческий акт. Однако это не так, и у протекающей реакции имеется биологическое значение, которое становится очевидным спустя некоторое время.
Рассмотрим подробнее перечисленные группы безусловных рефлексов.
Наиболее изученным вариантом витальных врожденных реакций являются пигцевые и питьевые безусловные рефлексы. В качестве стимулов, запускающих их (в качестве подкрепления), выступают пища и вода. При этом можно зарегистрировать большое количество реакций, возникающих на разных уровнях ЦНС. Уровень сложности этих рефлексов также очень сильно различается, и на одном полюсе находятся простейшие вегетативные и мышечные реакции (слюноотделение, жевание, глотание), на другом — сложные двигательные рефлекторные комплексы, связанные с преследованием и выслеживанием добычи, ожиданием в засаде, реакцией «смертельного укуса» у кошачьих, запасанием пищи. Особенно интересные и сложные формы врожденно пищевого поведения проявляют пауки, плетущие геометрически правильные ловчие сети из нескольких типов паутины. Плетение сети — пример сложного безусловно-рефлекторного поведения. Таким образом, даже относительно небольшая и, казалось бы, несложная нервная система может содержать в себе высокоорганизованные врожденные двигательные навыки.
Нередко можно наблюдать, что в качестве раздражителей, запускающих пищевое и питьевое поведение, врожденно запрограммированы не только вкусовые сигналы, но и стимулы, поступающие от других сенсорных систем: тактильные (прикосновение к губам вызывает сосательный рефлекс), зрительные (цыпленок клюет мелкие предметы), слуховые (реакция хищника на шорох). Особую важность имеет осуществляемая нейронами гипоталамуса оценка состояния внутренней среды организма и в первую очередь содержания глюкозы и солей в плазме крови. Снижение концентрации глюкозы и повышение содержания NaCI выступают как факторы запуска пищевого и питьевого поведения, вызывают развитие пищевой и питьевой мотиваций и субъективно осознаются нами как чувство голода и жажды.
Вторая группа витальных безусловных реакций — это различные типы оборонительного поведения, направленного прежде всего на прекращение болевых ощущений. Боль — это особая сенсорная модальность, сопровождающая действие различных агентов, повреждающих ткани организма. Она ха-
Рис 4.8. Этот силуэт похож на гуся, если двигать его в одном направлении, и на ястреба — если в другом. Во втором случае гусята демонстрируют реакцию затаиванияРис 4.8. Этот силуэт похож на гуся, если двигать его в одном направлении, и на ястреба — если в другом. Во втором случае гусята демонстрируют реакцию затаивания
Рис 4.8. Этот силуэт похож на гуся, если двигать его в одном направлении, и на ястреба — если в другом. Во втором случае гусята демонстрируют реакцию затаивания
Рис 4.8. Этот силуэт похож на гуся, если двигать его в одном направлении, и на ястреба — если в другом. Во втором случае гусята демонстрируют реакцию затаивания
рактеризуется особенно высоким уровнем значимости, и появление боли часто является сигналом к остановке текущей деятельности особи. Существует два варианта оборонительного поведения: пассивно-оборонительные и активно-оборонительные рефлексы. Первые направлены на избегание источника боли путем ухода из сферы его действия (реакции страха, бегства, затаивания); вторые позволяют избавиться от источника боли путем нападения на него и активного устранения представляющего опасность воздействия (реакции агрессии). Простейший пример пассивно-оборонительных реакций — рефлекс отдергивания конечности при ожоге; активно-оборонительной реакции — попытка укусить причиняющий боль объект.
Пассивно- и активно-оборонительные рефлексы связаны с разными центрами головного мозга (заднего гипоталамуса). Следовательно, в зависимости от условий у одной и той же особи могут возникать как реакции страха, так и реакции агрессии. Первые более характерны для травоядных млекопитающих; вторые относительно легко возникают у хищников. Вместе с тем даже безобидное и слабое существо, будучи лишено возможности бегства, способно оказывать серьезное сопротивление. И наоборот, самые сильные и опасные хищники часто предпочитают не ввязываться без особой причины в конфликты, выбирая пассивно-оборонительный вариант поведения.
Оборонительные реакции могут запускаться не только болью. Они достаточно хорошо проявляются при любых сильных и внезапных сенсорных воздействиях (реакции вздрагивания, зажмуривания), а также при более специфических стимулах, таких, как появление в темноте двух светящихся точек-«глаз» или движение над головой силуэта хищной птицы (в обоих случаях можно наблюдать затаивание новорожденных птенцов (рис. 4.8)). Оборонительные реакции могут быть включены в более сложные безусловно-рефлекторные комп-
лексы. В этом случае они нередко выступают в качестве стадии инстинктивных программ, связанных с половым, территориальным и другими видами врожденного поведения.
Чрезвычайно важной группой витальных безусловных рефлексов являются гомеостатические реакции нервной системы. Понятие гомеостаза подразумевает поддержание постоянства внутренней среды организма, т. е сохранение широкого круга его физико-химических параметров на стабильном уровне. Имеются в виду самые разные вегетативные и нейроэндокринные механизмы. В качестве примера можно привести систему контроля постоянной температуры тела. Этот контроль осуществляется за счет способности ряда нейронов гипоталамуса оценивать температуру крови. При ее понижении запускается рефлекс сужения сосудов кожи (экономия тепла) и включаются мелкие непроизвольные мышечные сокращения (дрожь). Если температура крови оказывается выше нормы и организму грозит перегрев, то начинается потоотделение, происходит расширение периферических сосудов и теплоотдача увеличивается. От качества реализации гомеостатических рефлексов зависит в конечном итоге наше здоровье, а их нарушение ведет к психосоматическим расстройствам. К гомеостатическим рефлексам примыкают такие жизненно важные реакции, как регуляция дыхания, а также поддержание суточных (циркадных) ритмов. В последнем случае речь идет о целой системе «сон — бодрствование», которая будет подробно рассмотрена ниже.
К витальным рефлексам относят также так называемый груминг и рефлекс экономии сил. Первый из них заключается в различных реакциях по уходу за собственным организмом (вылизывание, вычесывание, у птиц — смазка перьев). Груминг часто наблюдается в ситуациях, когда у индивидуума отсутствуют более насущные потребности, однако без его периодической реализации многие органы быстро бы «вышли из строя». Рефлекс экономии сил можно определить следующим образом: из возможных путей достижения цели животное выбирает наиболее легкий, требующий наименьшей затраты энергии. Биологический смысл этого рефлекса очевиден, поскольку позволяет снизить потребление пищи, а значит, особь меньше подвергается опасностям, связанным с ее поисками. Можно проследить этот рефлекс и в эксперименте: если предоставить обезьяне возможность получать пищу, поворачивая тяжелый либо (по ее выбору) легкий рычаг, то животное будет явно предпочитать последний.
Наибольшее значение среди зоосоциальных рефлексов имеет половое поведение, наблюдаемое на всех уровнях эволюции. Для его адекватной реализации необходимы два фактора: соответствующий гормональный фон и определенные, генетически заданные запускающие внешние стимулы. Гормональный фон создается активностью половых желез. При этом ключевое значение имеет содержание в крови андрогенов.
Как известно, для подавляющего большинства позвоночных характерно сезонное размножение, что связано с климатическими ритмами, т. е. с изменениями температуры окружающей среды и доступностью пищи. У таких животных «всплеск» половых гормонов и половой активности наблюдается только один-два раза в год. В остальное время они (по крайней мере самки) утрачивают способность к размножению.
Ряд видов млекопитающих (среди них человек, крысы, некоторые обезьяны) приобрели в ходе эволюции способность к круглогодичному размножению, что связано со стайным образом жизни, при котором «общественный статус» самки, способной к спариванию, а также беременной либо кормящей существенно выше, чем небеременной самки. Конечно, и в этом случае сохраняются колебания уровня половых гормонов, но они более сглажены по сравнению с сезонным вариантом размножения.
Сенсорные стимулы, запускающие половое поведение, могут быть очень разнообразны. Как правило, вначале самец и самка должны опознать друг друга на значительном расстоянии или самец должен найти самку. «Подсказками» служат видоспецифичные запахи, характерные для млекопитающих, ночных бабочек, жуков. В случае многих птиц и рыб указателями половой принадлежности и факторами привлечения особей противоположного пола выступают особенности внешнего вида (отсюда яркая окраска, особенно в сезон размножения). У птиц, а также у кузнечиков, цикад, бесхвостых земноводных и других «певцов» аналогичную функцию выполняют звуковые сигналы. Во всех этих случаях сенсорный анализ (нередко требующий опознавания весьма сложных зрительных и слуховых образов) является составной частью врожденных поведенческих программ. Он протекает без обучения на жестко детерминированных сетях нейронов, имеющих генетически предопределенные структуру и функцию.
Когда самец и самка встретились, на первое место выходят тактильные стимулы, цель которых — ослабить возможные
проявления страха или агрессии и подготовить переход к собственно половому поведению. Это задача очень важна, поскольку во многих случаях самец существенно уступает в размерах самке, и она в первый момент может рассматривать его не только как потенциальный источник опасности, но и как возможную добычу. Самым известным примером из этой области являются брачные отношения пауков, в результате которых значительная часть самцов погибает.
Разница в размерах между самцами и самками вполне закономерна с эволюционной точки зрения: по сравнению со сперматозоидами женские половые клетки должны быть существенно больше, поскольку несут запас питательных веществ для развития зародыша; следовательно, организм самки должен быть крупнее организма самца. Кроме того, мать нередко переносит яйца, заботится о питании детенышей, что также подразумевает более крупные по сравнению с самцом размеры. И только тогда, когда самцы начинают принимать участие в выращивании потомства, защищать территорию гнезда, добывать пищу для самки и детенышей, можно наблюдать увеличение размеров их тела.
Половое поведение демонстрирует широкий спектр отношений — от немедленного спаривания до сложных ритуализированных взаимодействий (турниры и ухаживания). Этологический анализ показал, что первый тип полового поведения обычно наблюдается в ситуациях, когда самка способна вырастить (и выращивает) потомство без помощи самца (условия обитания относительно безопасны, а пища в избытке).
Если же самец будет выполнять свою часть родительских функций, поведение самки оказывается направленным на выбор наиболее подходящего кандидата. Используемые при этом критерии выбора весьма разнообразны и также являются компонентами врожденных поведенческих программ. При турнирном поведении ключевой признак наиболее «подходящего» самца — это победа над соперниками в некотором, обычно ритуализированном сражении. Ритуализация здесь означает, что в ходе эволюции полового поведения в большинстве случаев возникли способы бескровной (а часто и бесконтактной) оценки сил соперников. Конкретные примеры можно найти в небольшой, но очень интересной книге К. Лоренца «Агрессия». В ней, в частности, описываются принимаемые побежденным самцом позы покорности, которые немедленно останавливают направленную на него атаку. Биологический смысл турниров очевиден — отцами детенышей преимущест-
венно становятся наиболее крупные и сильные самцы, что улучшает генотип популяции в целом. Именно этот процесс привел к тому, что у большинства млекопитающих самцы оказались крупнее самок и эффективно выполняют защитную функцию по отношению как к детенышам, так и к самим самкам.
Поведение ухаживания заключается в демонстрации самцом некоторых ключевых стимулов (песня; яркая окраска и размер различных частей тела; построенное гнездо) либо в ритуальных двигательных реакциях («танцы»; движения, подобные движениям детенышей; игровое поведение; кормление самки). Наибольшим успехом обычно пользуется самец, получивший самый высокий «балл», причем оценка «выставляется» самками на основании врожденно заложенных критериев. Поэтому можно наблюдать не только адаптивно целесообразные, но и адаптивно бессмысленные и даже вредные результаты полового отбора (например, развитие ярко окрашенного и чрезвычайно длинного хвоста у самцов павлинов).
Кратко охарактеризуем другие типы зоосоциальных безусловных рефлексов. Кроме полового поведения, к ним относятся различные варианты детско-родительского взаимодействия. Со стороны родителей (прежде всего матери) эта группа врожденных реакций включает строительство убежища-гнезда, кормление, чистку, перетаскивание детенышей, их защиту, позже — игру и наказания. При этом запускающее действие оказывает внешний вид и запах детеныша, издаваемые им звуки, а также сложные изменения гормонального статуса самки, в том числе связанные с деятельностью молочных желез. Так, врожденная рефлекторная дуга, обеспечивающая кормление, сформирована у млекопитающих таким образом, что сам факт механического воздействия детеныша на соски воспринимается мозгом самки (передние зоны гипоталамуса) как подкрепление и вызывает положительные эмоции.
Со стороны детеныша мы также можем наблюдать значительное количество врожденных поведенческих реакций, запускаемых различными вариантами взаимодействия с самкой. Это сосание матери, стремление к физическому контакту с ней, реакции замирания при переноске, видоспецифичные «призывные крики» оставшегося в одиночестве детеныша, реакции следования и т. п. Параллельно можно наблюдать протекание различных форм обучения, позволяющих особи в дальнейшем нормально реализовать различные более «тонкие» варианты зоосоциального поведения. Животные, вырос-
шие в изоляции, характеризуются нарушениями такого поведения и не могут нормально взаимодействовать с особями своего вида.
Зоосоциальное поведение не ограничивается рамками семьи. Следующим его вариантом является так называемое территориальное поведение, характерное для взаимодействия особей в популяции и заключающееся в разделе области обитания на отдельные охотничьи и гнездовые участки. Исходной причиной появления такого поведения в ходе эволюции стало несоответствие между ресурсами территории, где живет популяция (недостаток пищи, мест для строительства гнезд), и количеством особей в ней. Иными словами, территориальные безусловные рефлексы — это поведенческий механизм защиты от перенаселения, т. е. ситуации, когда резко возрастает риск голодной смерти, эпидемий и прочих вредных для популяции событий.
Существует большое разнообразие форм территориального поведения — в зависимости от того, на какой срок, с какими целями и какими способами происходит раздел «сфер влияния», каким образом он в дальнейшем сохраняется. В простейшем случае участок занимает первая оказавшаяся на нем особь. Размер участка — генетически заданная характеристика (определяется потребностью в получении необходимого количества пищи). В дальнейшем можно наблюдать различные поведенческие реакции, связанные с охраной территории: прямое нападение на «агрессора», мечение границ с помощью видоспецифичных запахов, голосовые реакции (одна из функций песни у птиц). Компонентом территориального поведения являются и рефлексы «чужака», попавшего на уже занятый участок. Они протекают в виде пассивно-оборонительных реакций и поз подчинения, за которыми следует бегство. Если же речь идет о переделе территории или о борьбе за освободившийся участок, то здесь возможны различные варианты внутривидовой агрессии — от турниров до нанесения травм различной степени тяжести. Нередко разделение территории происходит независимо для самцов и самок; их участки оказываются взаимопересекающимися, но проявление территориального поведения провоцирует лишь встреча с особью своего пола.
Еще более сложный и многообразный характер имеют врожденные рефлексы, связанные с поведением животного в стае (сообществе). Имеются в виду иерархически организованные стаи с четким выделением вожака и нескольких уров-
ней подчиненных. Такие стаи следует отличать от так называемых однородных стай (без вожака) и семейных стай (как правило, временных и весьма небольших). В иерархических сообществах вожаком может быть и самец (обезьяны), и самка (гиены, слоны). Его взаимодействие с «нижестоящими» включает позы доминирования и покорности, а также внутривидовую агрессию разного уровня напряженности. Подобные контакты можно наблюдать и на остальных ступеньках стайной иерархии, которая часто независима для самцов и самок. Стремление к доминированию «в своем кругу» — одна из мощнейших врожденных потребностей человека.
Третий тип безусловных рефлексов — рефлексы саморазвития, которые характеризуются как «направленные в будущее». Понять это определение легче всего на примере исследовательского поведения, в ходе которого подкреплением является новая информация. В момент получения мозгом такой информации еще не ясно, как она будет использована (запустит пищевое, половое или какое-либо другое поведение) и будет ли использована вообще. Однако сбор информации при появлении изменений в окружающем мире обязательно происходит и основан на целом ряде безусловно-рефлекторных механизмов.
В простейшем виде исследовательское поведение проявляется как ориентировочный рефлекс (по терминологии Павлова, рефлекс «что такое?»). В этом случае можно наблюдать характерный комплекс движений, возникающий при появлении в среде нового раздражителя: поворот глаз, головы, ушей, всего тела в сторону источника сигнала. Биологический смысл происходящего состоит в том, чтобы привести органы чувств в положение, обеспечивающее максимально эффективное восприятие новой информации. Ориентировочный рефлекс в наиболее четком виде запускается неожиданными зрительными и слуховыми сигналами. Центры запуска ориентировочного рефлекса локализованы в четверохолмии среднего мозга.
Более сложная форма исследовательского поведения — это активные поисковые рефлексы. Крыса, собака, кошка, человек, попав в новое помещение, активно его изучают с целью обнаружения пищи, опасности и т. п. Это изучение сопровождается осмотром территории, подходами к потенциально интересным объектам, их разглядыванием, обнюхиванием, пробованием «на зуб».
Самый сложный вариант исследовательского поведения — манипуляции с предметами, характерные для приматов. В этом
случае можно наблюдать тонкие движения пальцев, с помощью которых обезьяна или человек ощупывают предмет, пытаются его разломать или раскрутить (деструктивные манипуляции). При этом мы получаем большое количество дополнительной информации, касающейся возможного использования данного предмета в различных видах деятельности.
К рефлексам саморазвития относят также рефлекс свободы. Суть его состоит в преодолении ограничения свободы перемещения в пространстве. Именно по этой причине животные стремятся оборвать привязь, разрушить стены своей клетки, выбраться из ямы. Биологический смысл происходящего очевиден, поскольку особь, лишенная (или почти лишенная) способности передвигаться, очень скоро погибнет от жажды и голода либо окажется жертвой хищников. Сам термин «рефлекс свободы» введен Павловым, который наблюдал его в резко усиленной форме у некоторых собак. Такие животные становились непригодными для обучения по стандартным методам выработки условных рефлексов (последние включают закрепление собаки с помощью ремней). В очень ярком виде рефлекс свободы проявлялся и в экспериментах Торндайка («проблемные ящики», «метод проб и ошибок»), а также в опытах отечественного исследователя В. П. Протопопова, когда в ящик помещалось не животное, а пища.
Подражательное поведение — также одна из форм проявления рефлексов саморазвития. Когда животное повторяет чью-либо реакцию, смысл его деятельности часто не ясен (поскольку какое-либо реальное подкрепление отсутствует), но сам принцип подражания как способ негенетической передачи информации от особи к особи доказал свою целесообразность и потому закрепился в ходе эволюции. В простейшем случае подражание идет по схеме «делай, как сосед». Такого рода реакции особенно характерны для однородных стай, когда поворот одной рыбы, скажем, направо вызовет поворот ее соседей. Биологический смысл происходящего достаточно понятен: повернувшая первой рыба может располагать полезной информацией, которой нет у находящейся рядом особи.
Огромное значение имеет подражание по схеме «делай, как родитель». Стремление детеныша имитировать поведение матери и отца является той врожденной основой, на базе которой формируется огромное количество подражательных условных рефлексов. Третий вариант — «делай, как вожак» характерен для иерархических стай. Выработав у обезьяны-во-
жака условный рефлекс нажатия на рычаг (для получения пищи), можно затем обнаружить ту же реакцию у других членов стаи.
Последнее, о чем хотелось бы упомянуть, — это игровое поведение. Наблюдая за котенком, преследующим бантик, или за борющимися щенками, мы можем в первый момент оценивать их поведение как бессмысленное. Однако эти и другие подобные реакции — по сути, тренировка навыков (в том числе навыков внутривидового общения), которые понадобятся особи во взрослой жизни. Так что и здесь «направленность в будущее» как наиболее характерная черта рефлексов саморазвития прослеживается достаточно четко. В случае человека к игровым типам поведения можно отнести различные формы непрофессионального спорта, а также разнообразные детские подвижные игры.
Заканчивая краткий обзор безусловных рефлексов, еще раз подчеркнем, что они являются той основой, на которой «растет» все многообразие поведения. Проследив даже самые сложные приобретенные реакции, мы можем обнаружить их врожденный фундамент, который в свое время явился как бы «источником энергии», позволившей реализовать процессы обучения.
В случае беспозвоночных мы видим сложнейшие, отточенные миллионами лет эволюции комплексы врожденных рефлексов — инстинкты, которые в ходе индивидуального (как правило, очень непродолжительного) существования особи лишь немного дополняются приобретенными реакциями. В случае высокоразвитых позвоночных картина существенно иная, и их инстинктивные реакции по ходу индивидуального развития оказываются очень мощно перекрыты условно-рефлекторными «наслоениями». При этом резко возрастает уровень адаптивности поведения каждой конкретной особи, что позволяет ей существовать и размножаться длительное время.
Особенно сложен процесс формирования приобретенных реакций у человека. Поэтому стремление выявить врожденные основы нашего поведения присуще не только физиологам, но и психологам. В последнем случае нередко можно наблюдать заметные «перекосы», когда та или иная психологическая теория постулирует преимущественную важность, доминантность только одной из сфер — полового поведения (3. Фрейд), агрессивного поведения и стремления к лидерству «в стае» (А. Адлер) и т. д.
РАЗНООБРАЗИЕ
УСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСОВ
Каждый условный рефлекс можно характеризовать по трем основным признакам:
типу безусловного рефлекса, на базе которого вырабатывается условная реакция (иначе, типу подкрепления);
типу сенсорной системы, воспринимающей исходно незначимый сигнал, превращающийся позже в сигнал условный;
типу регистрируемой реакции (иначе, эффекторному ответу) (табл. 4.2).
Таблица 4.2
КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМ
УСЛОВНО-РЕФЛЕКТОРНОГО ПОВЕДЕНИЯ
Признак
Конкретные варианты
По типу безусловного рефлекса
Пищевые
Пассивно-оборонительные Половые и др.
С положительным подкреплением
С отрицательным подкреплением
По типу условного сигнала
Зрительные Слуховые Обонятельные и др.
По типу реакции
Вегетативные
Двигательные (в том числе инструментальные)
Исходя из первого признака выделяют пищевые, пассивно-оборонительные, активно-оборонительные, половые, подражательные и прочие условные рефлексы. Чем значимее для организма подкрепление (чем сильнее возникающий безусловный рефлекс), тем быстрее идет обучение и прочнее оказывается условная связь. При этом выделяют положительный и отрицательный типы подкрепления. К первому типу относятся подкрепляющие сигналы, получение которых благоприят-
но с биологической точки зрения (пища); ко второму — те, чье воздействие на организм неблагоприятно и имеет повреждающий характер (болевые стимулы). Следовательно, все варианты обучения можно разделить на протекающие с положительным и отрицательным подкреплением.
С реакцией на положительное подкрепление связан центр положительного подкрепления, расположенный в средней части гипоталамуса; его активность субъективно воспринимается как положительные эмоции. Реакцию на любое отрицательное подкрепление обеспечивает центр отрицательного подкрепления, расположенный в задней части гипоталамуса. Его активность субъективно воспринимается как отрицательные эмоции. При этом положительные эмоции возникают также при успешном избавлении от отрицательного подкрепления, а отрицательные эмоции — при отсутствии ожидаемого положительного подкрепления.
В целом поведение организуется таким образом, чтобы активация центра положительного подкрепления наступала возможно чаще, активация центра отрицательного подкрепления — возможно реже. Второй фактор особенно важен, поскольку означает избегание потенциально опасных ситуаций. В результате оказывается, что обучение, проводящееся на фоне отрицательного подкрепления, как правило, протекает быстрее, а соответствующие условные рефлексы оказываются более стойкими.
Перейдем ко второму из перечисленных признаков условных рефлексов. Необходимыми участниками процесса обучения являются сенсорные центры, реагирующие на условные раздражители и формирующие временные связи с корковыми представительствами безусловных рефлексов. В зависимости от типа задействованной сенсорной системы можно выделить зрительные, слуховые, вкусовые, кожные, обонятельные условные рефлексы. Иногда, делая акцент на специфике условного сигнала, говорят о световых, звуковых, тактильных, температурных условных рефлексах.
Параметры применяемого исходно индифферентного сигнала должны соответствовать сенсорным способностям животного (уровню и особенностям развития его органов чувств): у плохо видящих существ сложно вырабатывать зрительные условные рефлексы, а у лишенных обоняния (например, дельфинов) невозможно сформировать реакцию на запах. Сила сигнала также должна быть оптимальной, если мы хотим провести обучение максимально быстро. Слишком сильный сигнал способен вызвать запуск врожденных оборонительных
реакций, слишком слабый — не сможет в достаточной мере активировать корковые сенсорные центры. Еще один важный момент — новизна подаваемого сигнала: чем привычнее будущий условный стимул, тем медленнее формируется рефлекс.
Третье из свойств всякого условного рефлекса — тип регистрируемой реакции. Существует два основных варианта: интересующий нас поведенческий ответ протекает как реакция скелетной мускулатуры либо как реакция некоторого внутреннего органа. В первом случае говорят о двигательных, во втором — о вегетативных условных рефлексах.
Методика формирования вегетативного условного рефлекса описана выше на примере работ Павлова. В случае двигательных условных реакций «технология» обучения несколько иная: она сводится к тому, что, отслеживая разнообразные движения животного, вы подкрепляете пищей только некоторые из них (например, переход в определенное место экспериментальной камеры). При этом важно, чтобы данные движения были достаточно естественными для изучаемого организма. Если обучение идет с отрицательным подкреплением, то экспериментатор, включив болевое воздействие, прекращает его лишь после выполнения двигательной реакции. Если в результате действий животного или человека происходит изменение в окружающей среде (нажатие на педаль или кнопку, открывание двери), такие двигательные условные рефлексы называют инструментальными (оперантными).
Важно понять, что в случае двигательных условных реакций в качестве «корковых представительств безусловных рефлексов» выступают различные области моторной (прецентральной) коры. Следуя генетически предопределенным программам, через них реализуются двигательные компоненты врожденных исследовательских, пассивно-оборонительных, агрессивных ответов и др. Именно к ним «присоединяются» за счет формирования временных связей различные сенсорные корковые центры.
Если мы хотим достаточно точно описать процесс установления временной связи, необходима скрупулезная оценка параметров возникающих реакций. Измерить реакцию внутренних органов можно лишь с использованием различных приборов. Так, различные электрофизиологические методики позволяют в настоящее время оперативно определять не только частоту сердечных сокращений и артериальное давление, но и содержание кислорода в крови, активность потовых же-
лез (кожно-гальваническая реакция), сокращения стенок желудочно-кишечного тракта.
В случае двигательных условных рефлексов реакция организма оказывается «на виду». Остается лишь измерить скорость и время движения особи к источнику положительного подкрепления или оценить степень избегания источника отрицательного подкрепления.
Методики двигательного обучения относительно просты, обычно не требуют оперирования животных и электрофизиологической регистрации. В результате они получили более широкое распространение, чем способы выработки вегетативных условных рефлексов. Сейчас экспериментаторов сравнительно редко занимают особенности самого процесса формирования временных связей, которые достаточно хорошо изучены. В настоящее время различные условно-рефлекторные методики используются прежде всего для оценки действия на процессы обучения различных физико-химических и психофармакологических факторов. Экспериментальными животными являются преимущественно крысы и мыши — животные, с одной стороны, обладающие сложной нервной деятельностью; с другой — относительно мелкие и удобные в содержании. При этом произошла стандартизация экспериментальных процедур, что позволяет исследователям разных стран сопоставлять полученные результаты. Рассмотрим три наиболее часто применяемые методики: выработку условной реакции активного избавления, выработку условной реакции пассивного избегания и выработку двигательного пищедобы- вательного навыка в лабиринте.
Первый вид обучения проводится в экспериментальной камере, имеющей форму высокого ящика. К ее боковой стенке прикрепляется небольшая полка (рис. 4.9). Мышь помещается в камеру, некоторое время ей отводится на ознакомление с новой обстановкой. Затем включается сенсорный сигнал — звонок, и через 5 с экспериментатор подает на пол камеры электрический ток. Ток не выключается, пока мышь, совершая в попытках избавиться от неприятного стимула хаотические прыжки, не окажется на полке. После паузы процедура повторяется. В результате через 10—20 сочетаний исходно незначимого звонка и отрицательного подкрепления животное при включении условного сигнала совершает быстрый и точный прыжок на полку. Оборонительный слуховой двигательный условный рефлекс сформирован. Критерием его завершенности служит число верно выполненных реакций на каждые 10 предъявлений звонка. Впрочем, пока вашему
Рис 4.9. Экспериментальная установка для выработки условной реакции активного избавления: 1 — звонок; 2 — полка; 3 — пол камеры, на который может подаваться электрический ток
вниманию была представлена упрощенная схема наблюдаемых событий. Мы еще вернемся к этой экспериментальной ситуации в разд. 4.6 и рассмотрим ее подробнее.
Выработка условной реакции пассивного избегания проводится в камере, разделенной на ярко освещенный и темный отсеки (рис. 4.10). Между отсеками находится перегородка с отверстием. Мышь помещается в светлую часть камеры и, самостоятельно реализуя характерную для норных животных пассивно-оборонительную реакцию, переходит в темный отсек. Вслед за этим экспериментатор закрывает отверстие в перегородке и подает на пол темной части камеры электрический ток (в течение нескольких секунд). Больше никаких воздействий на животное не производится. Повторное тестирование обычно осуществляется через неделю. Мышь вновь помещают в светлый отсек. При этом выясняется, что, как следствие обучения с отрицательным подкреплением, животное обычно отказывается переходить в темную часть камеры, демонстрируя реакцию затаивания (избегания). Критерием обученности служит длительность пребывания на свету за некоторый фиксированный период наблюдений.
Описанная ситуация имеет две особенности. Во-первых, мы не использовали никакого специального условного стиму-
Рис. 4.10. Экспериментальная установка для выработки условной реакции пассивного избегания: 1 — яркий свет; 2 — темнота; 3 — электрический ток
ла, но рефлекс все же сформировался. Следовательно, в данном случае сенсорными сигналами, запускающими оборонительное поведение, явились различные свойства внешней среды: зрительный образ экспериментальной камеры, ее запах, тактильные ощущения. Рефлексы подобного рода называют «обстановочными», т. е. запускаемыми всей окружающей обстановкой. Вторая особенность — это формирование рефлекса после однократного действия электрического тока. В разделе, посвященном механизмам долговременной памяти, будет сделана попытка пояснить нейрофизиологические основы данного процесса.
Выработка двигательного навыка в лабиринте проводится на базе положительного пищевого подкрепления. Лабиринт обычно представляет собой систему соединенных друг с другом коридоров (рис. 4.11). Пища помещается в один из коридоров (всегда на одно и то же место). Точка «старта» животного также фиксирована. Перед экспериментом питание крыс обычно ограничивают для усиления выраженности пищевого поведения.
Впервые помещенная в лабиринт крыса или мышь достаточно быстро начинает осуществлять поисковое поведение. В результате она обычно в течение 1—2 мин находит пищу,
Рис. 4.11. Лабиринт для выработки двигательного рефлекса с пищевым подкреплением: 1 — пища; 2 — оптимальная траектория движения животного
которую, будучи голодной, немедленно съедает. Затем животное вновь возвращают в точку старта, и процедура повторяется. Обучение проявляется в форме сокращения времени достижения подкрепления (до 3—5 с) и количества ошибок, т. е. заходов в пустые, тупиковые, не связанные с продвижением к пище коридоры. Поскольку, как и в предыдущем примере, явный запускающий поведение условный стимул отсутствует, описанная реакция может быть классифицирована как пищевой обстановочный двигательный рефлекс.
Рассмотренные варианты не исчерпывают всего многообразия условно-рефлекторного поведения, поскольку, во-первых, существуют категории приобретенных реакций, не подпадающие под приведенную классификацию, например, рефлексы на время и сенсорные ассоциации; во-вторых, описано значительное число сложных рефлекторных реакций, являющихся производными от более простых типов приобретенного поведения.
Временной фактор присутствует в каждом условном рефлексе, так как при выработке подобных реакций интервал между условным стимулом и подкреплением достаточно фиксирован. Однако время и само по себе может быть условным раздражителем. Если запускать безусловный рефлекс через равные интервалы времени, то после нескольких повторов каждый раз по истечении такого интервала начнет самопроизвольно возни-
кать реакция — еще до появления подкрепления. Примером могут служить повторяющиеся 1 раз в минуту слабые удары тока. Рефлекс на время будет при этом проявляться в виде опережающего боль учащения сердцебиения. В основе подобного обучения лежит врожденная способность нервной системы «отсчитывать» временные интервалы.
Физиологический термин «условный рефлекс» и психологический термин «ассоциация» очень близки. По существу, под ассоциацией можно понимать установление временной связи между двумя любыми центрами коры больших полушарий. Условие замыкания такой связи — одновременная активация данных центров, происходящая на фоне реализации какого-либо врожденного поведения. Все обычные условные рефлексы могут считаться ассоциациями, но не все ассоциации являются условными рефлексами.
Проведем эксперимент: будем одновременно предъявлять (без явного последующего подкрепления) два сенсорных стимула — включение звонка и лампочки. После 10—20 таких предъявлений выработаем на лампочку условный рефлекс (лучше оборонительный). Если теперь подать звонок, то он с большой вероятностью с первого раза вызовет тот же рефлекс. В основе обучения такого рода лежит замыкание временных связей (ассоциаций) между отдельными сенсорными центрами коры. Своеобразным подкреплением (безусловно-рефлекторной основой происходящего) является в таком случае исследовательское поведение. Поэтому важно, чтобы стимулы, между которыми формируется ассоциация, характеризовались достаточным уровнем новизны, а число их сочетаний не было бы слишком большим (иначе начнется процесс, описанный как угашение ориентировочной реакции).
Сложные поведенческие проявления, производные от более простых условных реакций, весьма многообразны. К ним можно отнести рефлексы на комплексный раздражитель, на отношение, условные реакции второго порядка, цепные двигательные и экстраполяционные рефлексы.
Рефлекс на комплексный раздражитель формируется тогда, когда животное реагирует только на одновременное предъявление двух или более сенсорных сигналов. При этом реакция на действие каждого сигнала в отдельности должна отсутствовать.
О рефлексе на отношение можно говорить в ситуациях выбора из двух сенсорных сигналов (наборов обстановочных стимулов). При этом нервная система сравнивает раздражители по какому-либо признаку и реагирует предпочтительно на источник, например, более высокий звук или более яркий зритель-
ный объект. Следовательно, под «отношением» подразумевается соотношение некоторых характеристик в целом довольно сходных сигналов (объектов).
Рефлексы второго порядка основаны на том, что при прочном условном рефлексе раздражитель начинает сам выступать в роли подкрепления: выработав реакцию на звонок, можно затем (уже без подкрепления) создать ассоциацию между звонком и прикосновением. В итоге с большой вероятностью окажется, что прикосновение начнет запускать тот же поведенческий ответ, что и звонок. Над первым условным стимулом «надстроится» второй — отсюда название этой группы рефлексов. В случае оборонительных условных рефлексов возможны «надстройки» третьего и более порядков.
Цепные двигательные условные рефлексы мы наблюдаем тогда, когда окончание предыдущей моторной реакции является стимулом для запуска следующего звена программы действий. С точки зрения наблюдателя такое поведение характеризуется непрерывностью и «естественностью» переходов от движения к движению, отсутствием пауз и сбоев.
В качестве экстраполяционных рассматриваются рефлексы, которые животное реализует в новой для него обстановке с первого же раза. Возникающая реакция выглядит как целесообразная и приводит к биологически благоприятным результатам. Так, животное, заглянув в отверстие ширмы, находит там миску с едой, но, лишь только оно начинает есть, миска приходит в движение и перемещается вдоль ширмы направо или налево. Вновь получить пищу можно, только обойдя ширму со стороны, соответствующей направлению движения миски. Подобную реакцию успешно реализуют млекопитающие с наиболее сложным мозгом (хищники, приматы), а также врановые птицы (рис. 4.12).
Суть происходящего при запуске экстраполяционных рефлексов состоит в переносе имеющегося у особи опыта (предварительно сформированного навыка) в относительно новую ситуацию. Относительность здесь состоит в том, что новизна условий опыта лишь частична, и обстановка эксперимента должна по некоторым ключевым признакам напоминать особи о ситуациях, уже ей известных. В приведенном примере у животного должен предварительно иметься «рефлекс на движение» — реакция следования за любым перемещающимся объектом. Эта реакция — результат предшествующего обучения, она возникает на базе врожденных пищевых, исследовательских и прочих компонентов поведения. Поэтому возможен ее перенос в новые условия и с первого же предъявления — движение, соответст-
вующее направлению перемещения миски с едой. С точки зрения наблюдателя, такая реакция выглядит как «предугадывание» (экстраполяция) факта появления подкрепления с соответствующей стороны ширмы.
Мы еще вернемся к перечисленным вариантам приобретенного поведения, поскольку пока лишь кратко охарактеризовали их внешние признаки. Говорить о лежащих в их основе механизмах, о роли различных отделов мозга еще рано, поскольку вначале следует познакомиться с более простыми формами приобретенного поведения.
Рис. 4.12. Изучение экстраполяционного рефлекса у голубя и лисицы: 1 — ширма; 2 — кормушка с едой; 3 — кормушка без еды; 4 — направление движения кормушек; 5 — траектория движения голубя; 6 — траектория движения лисы
Дело в том, что условные рефлексы, ассоциации и прочие рассмотренные типы обучения составляют только одну из двух обширных групп реакций, которые модифицируют индивидуальное поведение особи. Группа эта названа «ассоциативным обучением». Ей противостоит, а в чем-то и дополняет ее «неассоциативное обучение». Относящиеся к этой категории приобретенные реакции или идут без подкрепления, или сохраняются относительно небольшое время, или не сопровождаются формированием новых нервных связей. Наиболее характерные из них рассмотрены в следующей главе, причем основное внимание уделено их вкладу в деятельность систем памяти.
НЕАССОЦИАТИВНОЕ ОБУЧЕНИЕ.
МЕХАНИЗМЫ КРАТКОВРЕМЕННОЙ И ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ
Безусловные и условные рефлексы можно рассматривать как два «полюса», крайние типы поведенческих реакций: первые — врожденные и очень стабильные; вторые представляют собой эволюционно наиболее гибкий вариант индивидуального обучения, позволяющий сохранять информацию длительное время. Соответственно, говоря о долговременной памяти, мы подразумеваем прежде всего присущую всякой развитой ЦНС систему ее собственных условных рефлексов и ассоциаций разного уровня сложности. В целом память нервной системы можно определить как совокупность происходящих в ней процессов фиксации, сохранения и последующего воспроизведения индивидуального опыта организма.
Способность мозга к ассоциативному обучению дополняется процессами неассоциативного обучения. Они являются эволюционно более древними способами приспособления (на поведенческом уровне) к изменяющимся условиям внешней среды и уступают истинным условным рефлексам в способности к модификациям или в длительности хранения следов воздействий. Далее мы последовательно рассмотрим наиболее значимые типы неассоциативного обучения — суммацию, привыкание, долговременную потенциацию и импринтинг. Способы сохранения информации, связанные с первыми тремя, — основа нашей кратковременной памяти. Импринтинг логичнее рассматривать как вариант долговременной памяти.
Отметим также, что у существ со сложно организованной нервной системой ассоциативное и неассоциативное обучение
Рис. 4.13. Рефлекс втягивания жабры возникает у аплизии в ответ на прикосновение к ней или к мантийной складке: 1 — жабра; 2 — мантийная складка
сосуществуют, причем первое в значительной мере маскирует проявления второго. Чтобы наблюдать неассоциативное обучение «в чистом виде», полезно использовать в качестве экспериментальных объектов организмы с относительно низким уровнем организации нервной системы. Именно поэтому классические работы по изучению суммации и привыкания выполнены на аплизии — крупном морском моллюске (рис. 4.13).
Суммацию можно определить как постепенное увеличение (появление) реакции при повторном предъявлении исходно индифферентного раздражителя. Суммация — простейшая форма приспособления поведения к внешним сигналам. Например, если слегка прикасаться к щупальцам гидры с интервалом в 20—30 с, то через 8—10 таких прикосновений, на которые животное исходно не реагирует, возникает реакция втягивания щупалец. Реакция эта сохраняется и при дальнейшей стимуляции. Следовательно, в нервной системе гидры произошло накопление возбуждения от отдельных раздражителей, и этот просуммированный сигнал смог запустить двигательный ответ. В нашей жизни суммация также проявляет себя достаточно часто, например, когда мы вдруг замечаем уже длительное время действовавший слабый раздражитель (капание воды из крана, легкие тактильные или болевые ощущения). Биологический смысл суммации состоит в том, чтобы «обратить внимание» нервной системы на слабые, но стабильно возникающие (или постоянно действующие) стимулы.
В основе суммации может лежать постепенное повышение чувствительности к повторяющемуся раздражителю. В этом случае адаптивные изменения происходят на входе в рефлекторные дуги различных защитных, исследовательских, пищевых и других реакций. Такой тип суммации называют сенсибилизацией. Кроме того, возможна суммация за счет сниже-
ния порога запуска реакции — фасилитация. В этом случае изменения происходят на выходе рефлекторных дуг и сенсорная специфичность раздражителя не играет заметной роли. Имея в виду описанный опыт с гидрой, можно сказать, что если суммация уже произошла, то вместо прикосновения можно включить яркий свет или оказать химическое воздействие — животное все равно будет втягивать щупальца.
Важно также то, что выработанная суммация полностью исчезает через 20—30 мин, т. е. при этом типе неассоциативного обучения длительность сохранения следов стимуляции очень невелика. Кроме того, если производить повторную суммацию, она происходит без всякого видимого облегчения и ускорения.
Механизм суммации на клеточном уровне впервые был исследован на аплизии. Измеряемой реакцией стал врожденный рефлекс втягивания моллюском жабры в ответ на сильное прикосновение. Интенсивность слабых прикосновений подбиралась так, что они исходно были незначимы, но вызывали рефлекс в результате развития суммации, т. е. после повторных применений с небольшим (до 30 с) интервалом.
Рефлекс втягивания жабры по своей природе является пассивно-оборонительным и реализуется посредством очень короткой нервной дуги (рис. 4.14), которая состоит всего из двух клеток — сенсорной (чувствительные отростки ветвятся в ткани жабры) и двигательной (мотонейрон, управляющий мышцей, втягивающей жабру). Если внешний стимул достаточно силен, то в сенсорном нейроне возникает несколько (5— 10) потенциалов действия. В результате в синапсе между чувствительной клеткой и мотонейроном выделяется много медиатора, на мембране мотонейрона развивается большой ВПСП, а затем — ПД, который достигает мышцы, вызывая ее сокращение. При слабом стимуле возможна ситуация, когда раздражитель вызовет в сенсорном нейроне всего один ПД. Тогда медиатора в рассматриваемом синапсе выделится мало, ПД в мотонейроне не возникнет и реакция на стимул будет отсутствовать. В этом случае мы скажем, что используется исходно незначимый стимул.
Что изменится при ритмическом применении слабого стимула? Ключевым фактором, способным в итоге привести к развитию в описанной рефлекторной дуге суммации, является работа ЭПС и митохондрий пресинаптического.окончания. Напомним, что именно их нормальное функционирование обеспечивает быстрое всасывание кальция и прекращение выброса медиатора (Са2+ попадает в пресинаптическое окончание
из межклеточной среды при открывании особых каналов, реагирующих на приход ПД).
Оказывается, что всасывание кальция в ЭПС и митохондрии — длительный процесс, который может занимать десятки секунд и даже минуты. Соответственно, если внешний стимул действует достаточно часто, то белки-насосы не будут успевать удалять все ионы Са2+ из цитоплазмы пресинаптического окончания, и кальций будет накапливаться. Чем меньше интервал между стимулами, тем быстрее идет накопление кальция. В результате при появлении очередного ПД может оказаться, что Са2+ скопилось достаточно много для того, чтобы после выброса медиатора и генерации ВПСП потенциал действия на мотонейроне был запущен. Именно в этот момент мы увидим, что исходно незначимый стимул вызвал реакцию.
Порог запуска ПДПорог запуска ПД-< ВПСП► ПД и запуск-< ВПСП► ПД и запускЕсли не прерывать периодическую стимуляцию, то все дальнейшие раздражения будут продолжать запускать реф-
Порог запуска ПД
Порог запуска ПД
-< ВПСП► ПД и запуск
-< ВПСП► ПД и запуск
реакции втягивания жабры
Рис. 4.14. Рефлекторная дуга, отвечающая за втягивание жабры у аплизии (а) и графики накопления ионов кальция (б) и запуска ПД в мотонейроне (в). Пять последовательных ритмических слабых воздействий на жабру отмечены стрелками (f): 1 — мышца, оттягивающая жабру; 2— мотонейрон; 3 — синапс, в котором происходит суммация;
4 — сенсорный нейрон; 5 — жабра
леке, поскольку высокое содержание Са2+ в пресинаптическом окончании сохраняется. Если сделать паузу, то вновь понадобится предварительная суммация (ЭПС и митохондрии удалят из цитоплазмы накопившийся кальций).
Таким образом, основной механизм развития суммации может быть определен как пресинаптическое накопление ионов Са2+.
Тот же принцип лежит в основе ситуации, когда после однократного сильного стимула (в пресинапс входит много Са2+) рефлекс в течение нескольких минут может запускаться исходно незначимым сигналом. Биологически это вполне оправдано: получив, например, однократное болевое подкрепление, животное еще некоторое время «соблюдает осторожность», т. е. демонстрирует пассивно-оборонительную реакцию на любые сенсорные сигналы.
Способность к суммации — распространенное свойство нервных клеток и синапсов, именно она лежит в основе более «короткого» варианта нашей кратковременной памяти. Рассматривая тот или иной зрительный объект, повторяя про себя какую-либо фразу, мы, по сути, производим ритмическую стимуляцию синапсов, включенных в передачу соответствующих сенсорных сигналов; и далее, сохраняя повышенную возбудимость в течение нескольких минут, эти синапсы «удерживают след» заинтересовавшей нас информации. Однако след этот очень быстро исчезает (по мере ослабления последствий суммации), а также легко может быть «затерт» любыми последующими сильными (значимыми) стимулами.
Суммация, видимо, явилась самым эволюционно ранним вариантом обучения. Несмотря на нестойкость происходящих изменений, она продолжает играть важную роль как один из путей индивидуальной адаптивной модификации поведения не только животных, но и человека.
Следующий тип неассоциативного обучения — привыкание. Привыкание может быть определено как ослабление (исчезновение) реакции на неоднократно предъявляемый исходно значимый раздражитель. Например, можно подобрать такую силу прикосновения к щупальцам гидры, что после 50— 70 ритмичных (с интервалом до 20—30 с) воздействий исходно проявлявший себя рефлекс втягивания щупалец исчезнет. Следовательно, в нервной системе животного каким-то образом происходит угасание реакции на повторяющийся стимул. В нашей жизни привыкание проявляется чаще всего в форме ослабления ориентировочного рефлекса, когда мы перестаем реагировать на какой-либо «надоевший» сенсорный сигнал.
Биологический смысл привыкания обусловлен стремлением нервной системы к наиболее экономному режиму функционирования.
В основе привыкания ^габитпуации^ обычно лежат протекающие на уровне сенсорных систем процессы снижения чувствительности к повторяющемуся раздражителю. Их механизмы многообразны: адаптация чувствительных клеток, подключение к процессу обработки и проведения информации тормозных интернейронов, ослабление синаптической передачи. Первый механизм обеспечивает наиболее быстрые изменения чувствительности к постоянно действующим стимулам и рассматривается в рамках физиологии сенсорных систем.
Второй механизм является, по сути, теми же процессами суммации (пресинаптического накопления Са2+), но протекающими на входе тормозных интернейронов. В результате повторно действующий сигнал, будучи исходно «незначимым» для тормозных нервных клеток, постепенно приводит к их включению. Как следствие, на мембранах релейных (проводящих) нейронов развиваются ТПСП и передача возбуждения к мотонейронам ослабевает (прекращается) (рис. 4.15).
Наши сенсорные системы устроены таким образом, что тормозные «фильтры», обеспечивающие привыкание, образуют несколько уровней. В результате этого происходит после-
Накопление Са21
Рис. 4.15. Схема возможных путей развития привыкания к повторяющимся сенсорным сигналам: / — тормозной интернейрон; 2 — мотонейрон; 3 — сенсорный нейрон
довательное отсечение стабильно действующих, «неинтересных» сигналов сначала в центрах первичной обработки информации, затем в таламусе и коре.
Ослабление синаптических процессов при привыкании также впервые показано на аплизии. Обнаружено, что избыток Са2+ в пресинаптическом окончании, где он обязательно появится при ритмическом действии значимых стимулов, приводит к открыванию особых кальций-чувствительных К+-каналов. Выход ионов калия гиперполяризует пресинап- тическое окончание и на некоторое время снижает активность электрочувствительных Са2+-каналов, что уменьшает выброс медиатора и ослабляет синаптическую передачу.
Как и суммация, привыкание сохраняется только в течение довольно короткого времени (до 20—30 мин), а повторное привыкание идет без облегчения. В реальных условиях часто можно наблюдать, как повторяющийся слабый сенсорный сигнал сначала вызывает суммацию, а затем — привыкание. С другой стороны, можно подобрать такую низкую интенсивность стимула, что он вообще не будет вызывать реакции (даже за счет развития суммации), и такую высокую интенсивность, что привыкания к сигналу происходить не будет.
Привыкание следует отличать от утомления. В последнем случае обычно наблюдаются значительные общие изменения в состоянии рефлекторных сетей: нехватка АТФ, накопление отходов обмена веществ, истощение запасов медиаторов в пре- синаптических окончаниях. Если увеличить интенсивность стимула, то эффект утомления сохраняется, а привыкание часто исчезает, поскольку усиленный сенсорный сигнал начинает использовать дополнительные нейронные цепи.
В случае аплизии показано, что привыкание, развившееся после повторных прикосновений к жабре, может быть устранено сильным воздействием на какую-либо другую часть тела. При этом активация угасшей синаптической передачи происходит за счет развития пресинаптического серотонинергического возбуждения.
Переходим к долговременной потенциации (английский эквивалент — long term potentiation — LTP).
Внешне это явление выглядит следующим образом. Вы предъявляете животному некоторый сигнал, слишком слабый для того, чтобы вызвать реакцию с первого же раза, но достаточный для возбуждения сенсорных входов. Затем после паузы в 1—2 ч (для предотвращения возможных эффектов суммации) подается сильный стимул, запускающий исследуемый рефлекс. Следующая стимуляция проводится еще через
1—2 ч с помощью слабого сигнала. При этом у существ, чья нервная система обладает способностью к LTP, возникает тот же рефлекторный ответ. Более того, интервал между сильной и последующей слабой стимуляциями, может быть увеличен до 5—10 и более часов — повышенная возбудимость нервной системы продолжает регистрироваться.
По сравнению с суммацией LTP (и зафиксированная с ее помощью информация) сохраняется значительно более длительный срок, но он все же недостаточен для того, чтобы считать LTP проявлением долговременной памяти. Вот почему предлагается рассматривать LTP как вариант «длительной» кратковременной памяти, чье действие обычно распространяется на текущий период бодрствования (в случае человека — от одного ночного сна до другого).
Разберем сначала синаптическую основу долговременной потенциации, а затем попытаемся определить ее место в деятельности мозга.
В отличие от суммации, LTP происходит на строго определенных синапсах: во-первых, глутаматергических и, во-вторых, снабженных несколькими типами рецепторов к глутаминовой кислоте, основным из которых должен быть NMDA- тип. Схема такого синапса представлена на рис. 4.16. Напом-
Рис. 4.16. Схема синапса, способного к развитию долговременной потенциации: 1 — метаботропный (не-NMDA-pe- цептор); 2 — NMDA-рецептор, находящийся в нерабочем состоянии; 3 — везикула с глутаматом; 4 — хемочувстви- тельный ионный канал
ним, что NMDA-рецепторы обладают уникальным свойством находиться в двух способных переходить друг в друга состояниях — рабочем и инактивированном. В последнем случае канал NMDA-рецептора оказывается перекрыт ионом Mg2+ (магниевая пробка).
Рассмотрим работу синапса, способного к LTP. Его исходное состояние характеризуется наличием только инактивированных NMDA-рецепторов. Если подать на такой синапс слабый стимул, то, как и в случае суммации, возникает лишь одиночный ПД, приводящий к выбросу небольшого количества глутаминовой кислоты. При этом медиатор может вызвать открывание Na+-кaнaлoв, связанных только с не-NMDA-pe- цепторами. В результате ВПСП, развивающийся на постсинаптической мембране, будет мал, ПД в следующей клетке не возникнет и реакция на слабый стимул наблюдаться не будет.
Применение сильного стимула вызовет выделение большого количества глутаминовой кислоты, и возбуждения даже He-NMDA-рецепторов окажется достаточно, чтобы на постсинаптической мембране возник ПД, а на уровне всего организма — поведенческий ответ. Параллельно происходит ключевое событие, запускающее LTP: ПД, являясь скачком потенциала на постсинаптической мембране, провоцирует выход ионов Mg2+ из каналов NMDA-рецепторов в межклеточную среду — «выбивание магниевых пробок» переводит NMDA-рецепторы в рабочее состояние.
Возврат пробок осуществляется постепенно — в течение нескольких часов, и все это время синапс остается в состоянии повышенной готовности к проведению информации (в этом смысл термина «потенциация»). Отсюда следует, что, если сейчас посредством слабой стимуляции подать на вход синапса даже одиночный ПД, выделяющаяся глутаминовая кислота подействует на все рецепторы (в том числе на NMDA-тип). Поэтому, несмотря на небольшое количество медиатора, развивающийся на постсинаптической мембране ВПСП окажется достаточно велик для последующей генерации ПД и появления поведенческого ответа.
Наиболее плотная концентрация NMDA-рецепторов в мозге высших позвоночных обнаружена на входе в гиппокамп — ключевую структуру круга Папеца (рис. 4.17, а). Этот круг — важнейший структурно-функциональный комплекс переднего мозга и в качестве основных структур включает: собственно гиппокамп, выходящий из него свод, мамиллярные тела, передние ядра таламуса, ряд структур коры (важнейшая из них — поясная извилина) и зубчатую извилину, чьи аксоны
Рис. 4.17. Круг Папеца (а) и его упрощенная структура (б); 1 — гиппокамп; 2 — свод; 3 — мамиллярное тело; 4 — передние ядра таламуса; 5 — поясная извилина; 6 — зубчатая извилина; • — синапсы, содержащие NMDA- рецепторы
заканчиваются в гиппокампе. Необычной и характерной чертой данного комплекса является его цикличность, замкнутость на свои собственные ядра. Этот факт еще в 60-е годы позволил сформулировать гипотезу о круге Папеца как месте хранения циркулирующих по замкнутому контуру нервных сигналов. В 90-е годы это представление было дополнено данными об NMDA-рецепторах, что позволило сформировать представление о LTP как одном из физиологических механизмов памяти.
Рассмотрим схему, приведенную на рис. 4.17, б. На ней из всего множества структур круга Папеца оставлены лишь две ключевые — гиппокамп, обладающий NMDA-рецепторами, и поясная извилина, для которых характерны множественные связи с самыми разными отделами коры и подкорки (в том числе с гипоталамусом и центрами бодрствования). Гиппокамп и поясная извилина соединены множественными взаимными, формирующими круг связями (волокна свода и др.). Как происходит фиксация информации с помощью этой системы?
Представим себе человека ранним утром, его мозг полностью отдохнул. Можно считать, что при этом структуры круга Папеца находятся в «очищенном» состоянии, все пути передачи информации пока закрыты и магниевые пробки располагаются на своих местах — в каналах NMDA-рецепторов. Далее
начинается обычный рабочий день: человек встает, умывается, завтракает, совершая обычный утренний ритуал.
Если при этом ничего необычного не происходит, то уровень возбуждения в мозге невелик и сохранение памяти идет только за счет самых нестойких суммационных механизмов. Однако если происходит что-то необычное, значимое, имеющее эмоциональную окраску, то уровень активации в соответствующих сенсорных и ассоциативных центрах коры резко повышается. Это приводит к возбуждению поясной извилины, переадресовке сигналов на вход гиппокамп, и, как в случае применения сильного стимула, «выбиванию магниевых пробок» в соответствующих стимулу или ситуации информационных каналах.
Момент выбивания Mg+-npo6oK приводит к замыканию информационного контура в круге Папеца, по которому затем будет происходить циркуляция возбуждения (источником слабой активации являются центры бодрствования). И пока контур функционирует — информация о прошедшем значимом событии будет периодически возвращаться через поясную извилину в кору, «напоминая» о себе.
Из описанной схемы следует несколько выводов. Во-первых, легко понять, что емкость (объем памяти) круга Папеца хотя и велика, но не безгранична. Каждый из нас может вспомнить ощущения, возникающие тогда, когда этот блок памяти переполняется — при просмотре нескольких кинофильмов подряд, посещении крупного музея, многочасовом сидении на лекциях.
Во-вторых, система круга Папеца и LTP оказываются чувствительными к электрошоковым воздействиям, когда тотальное выбивание магниевых пробок стирает с нейронных контуров текущую информацию. В результате человек может забыть о событиях, имевших место за несколько часов до электрошока (ретроградная амнезия).
В-третьих, восстановление ресурса этой системы, ее очистка и возврат магниевых пробок на место требует достаточно длительного прекращения циркуляции возбуждения по соответствующим контурам, что возможно лишь при выключении центров бодрствования и засыпании. При этом информация, записанная на контурах круга Папеца, частично теряется, а частично переходит в долговременную форму хранения, о чем будет сказано ниже.
Отметим также, что синапсы с NMDA-рецепторами встречаются не только в гиппокампе, но и в других зонах ЦНС — сенсорных центрах, двигательных центрах, ассоциативной коре больших полушарий, где они выполняют аналогичную
функцию — обеспечивают быстрое формирование каналов для передачи приоритетной информации, переключают потоки сигналов с канала на канал (своеобразные «стрелочники»).
Последний из рассматриваемых видов неассоциативного обучения — импринтинг, или запечатление. Импринтинг определен как формирование в некоторые периоды онтогенеза устойчивой индивидуальной избирательности по отношению к внешним стимулам.
Можно выделить три наиболее показательных варианта импринтинга: запечатление родителя детенышем; запечатление детеныша родителем и импринтинг будущего полового партнера. Первый из них подробно описан и изучен К. Лорен- цом. В его работах показано, что птенцы выводковых птиц, реализуя врожденное детское поведение, следуют за первым движущимся объектом, который увидели после рождения; то же относится и к ряду млекопитающих. Если такой объект окажется не матерью, а человеком, неживым предметом (что и проделывалось в ходе экспериментов), птенцы также будут двигаться за ним. Критический период для запечатления родителя — первые часы (максимум — дни) жизни детеныша.
Во втором случае можно наблюдать возникновение у матери импринтинга на детеныша. Так, коза в течение примерно часа после родов имеет особую чувствительность к запаху козленка. В дальнейшем именно он будет восприниматься ею как собственный детеныш, а остальные козлята будут отвергаться. У самок колониальных птиц и тюленей может происходить запечатление голоса детеныша.
Третий вариант демонстрирует, что, кроме взаимоотношений родитель — детеныш, импринтинг имеет особое значение для формирования полового поведения и предпочтения будущего полового партнера. Это доказано путем замены родителей у голубей, кур, уток. В экспериментах характерно окрашенные родители одной породы воспитывали вместе с собственными детенышами птенца другой породы. Когда такой птенец вырастал, то предпочитал спариваться с птицами, имеющими такую же окраску, как и его приемные родители. Критический период для запечатления будущего полового партнера — стадия окончательного полового созревания птенцов, когда происходит запечатление внешнего вида как родителей, так и соседей по гнезду (братьев и сестер). Запечатление это сказывается и на других компонентах зоосоциального поведения.
В целом можно сказать, что импринтинг связан с установлением жизненно важных внутрисемейных, внутригруппо-
вых и внутривидовых контактов, при этом по своей сути поведенческие реакции, связанные с импринтингом, являются врожденными. Однако, в отличие от обычных безусловных рефлексов, в данном случае стимул, запускающий реакцию, исходно не определен. В ходе запечатления происходит запоминание характеристик этого стимула (внешний вид, запах родителя, детеныша, будущего полового партнера) и устанавливается связь между сенсорными центрами и центром соответствующей врожденно запрограммированной реакции. В отличие от условного рефлекса, эта связь, во-первых, образуется только в строго определенный период жизни животного; во-вторых, образуется без подкрепления; в-третьих, в дальнейшем оказывается очень стабильной, практически не подлежит угашению и может сохраняться в течение всей жизни особи.
На рис. 4.18 показано, что обучающийся нейрон, способный запустить некоторую врожденную реакцию организма, исходно получает большое количество пока еще незначимых сенсорных сигналов, причем каждый — по своему каналу. В критический период онтогенеза происходит выбор самого активного сенсорного входа и соответствующий синапс резко увеличивает свою эффективность. В результате в обучающемся нейроне возникают ПД, включающие определенную поведенческую программу.
Наиболее активный сенсорный вход
Рис. 4.18. Принципиальная схема механизма, связанного с формированием импринтинга: 1 — обучающийся синапс;
2 — обучающийся нейрон; 3 — двигательный нейрон
Понятно, что ключевую роль в данном процессе играет механизм модификации обучающегося синапса. Каким образом он начинает работать более эффективно, т. е. генерировать больший ВПСП в ответ на то же количество медиатора? Современные представления о механизмах этого процесса представлены на рис. 4.19, где показано, что выделяющийся из пре- синаптического окончания медиатор (глутаминовая кислота) действует на соответствующие метаботропные рецепторы, запуская образование вторичного посредника (например, ц-АМФ). Вторичный посредник, передавая сигнал внутри обучающегося нейрона, проникает в ядро и воздействует на ДНК. Конечным результатом такого воздействия является активация генов, управляющих синтезом рецепторов к глутаминовой кислоте: с них «снимается копия» — и-РНК, которая по-
Рис. 4.19. Схема механизма импринтинга на молекулярном уровне: 1 — аксон; 2 — ядерная оболочка; 3 — мембрана обучающегося нейрона; 4 — рецептор к медиатору; 5 — везикулы с медиатором
ступает к рибосомам. Рибосомы синтезируют новые белки-рецепторы к глутаминовой кислоте, которые встраиваются в постсинаптическую мембрану самого активного синапса, передающего информацию о характеристиках импринтингуемо- го объекта.
Встраивание в постсинаптическую мембрану дополнительных рецепторов является тем ключевым фактором, который приводит к увеличению эффективности синаптической передачи. Как только рецепторов окажется достаточно много, ВПСП на мембране обучающегося нейрона достигнет критического уровня, и ПД (поведенческая реакция) будет запущена. Внешне это выглядит так: детеныш будет рассматривать находящиеся перед ним объекты, пока наконец один из них, привлекший особое внимание за счет движений или звуков, не начнет запускать различные компоненты детского поведения.
Специально подчеркнем, что описанные нейрохимические и синаптические изменения протекают не мгновенно, а требуют времени, т. е. для успешного импринтинга важен фактор стабильного сенсорного «давления» на обучающийся нейрон (например, постоянное присутствие матери). Если это условие не будет выполнено, критический для запечатления период может пройти и импринтинг вообще не возникнет.
Важно также то, что в дальнейшем обучающийся нейрон продолжает поддерживать концентрацию рецепторов на постсинаптической мембране «запечатленного» синапса на том же высоком уровне. Именно это свойство обучающихся нейронов обеспечивает чрезвычайную стабильность импринтинга, позволяющую рассматривать его как специфический вариант долговременной памяти.
В чем биологический смысл импринтинга и почему эволюции понадобилось создавать что-то промежуточное между условными и безусловными рефлексами? Дело в том, что обучение, происходящее по типу импринтинга, обслуживает самые ключевые моменты зоосоциального поведения. Эти моменты настолько важны (отношения детеныш — родитель, половое поведение), что формировать их на базе условных рефлексов, способных при определенных условиях угасать, блокироваться, видимо, нецелесообразно. С другой стороны, реализовать такое поведение на основе безусловных рефлексов тоже не всегда возможно, поскольку объект, на который направлено поведение, может иметь нестабильные (разный запах) или очень «тонкие» (особенности расцветки оперения) сенсорные свойства. Таким образом, импринтинг оказывается очень по-
лезен в тех специфических ситуациях, когда «чувствительности» безусловных рефлексов не хватает, а относительная нестабильность условных рефлексов может поставить жизнь или воспроизводство особи под угрозу.
Приведем поясняющий пример. Как известно, у самцов уток яркая и видоспецифичная окраска; у противоположного пола окраска более монотонная, и отличить самок разных видов непросто. Оказывается, что различение самками «своих» самцов обусловлено врожденной поведенческой программой, а вот различение самцами самок требует импринтинга. Доказано это в уже упоминавшихся экспериментах с подменой птенцов: если самку выращивать в гнезде другого вида, то она, несмотря ни на что, в качестве полового партнера будет выбирать самца своего вида. Если же в чужом гнезде выращен самец, то его половое поведение будет адресоваться самкам, похожим на приемную мать.
Не исключено, что импринтинг присутствует (в качестве компонента, хотя бы частично определяющего обучение) в большинстве ситуаций, когда та или иная безусловно-рефлекторная система срабатывает впервые. В таком случае становится более понятным значение ранних детских впечатлений, которые могут на долгие годы (и даже на всю жизнь) запрограммировать наши вкусовые и запаховые предпочтения, особенности оборонительного поведения и т. п. Поиск таких впечатлений, их анализ, «поднятие» из сферы бессознательного лежит в основе многих психотерапевтических методик.
Итак, импринтинг является специфическим вариантом длительного сохранения мозгом информации. Однако основной тип долговременной памяти связан все же с ассоциативным обучением.
На рис. 4.20 приведена структура нейрональной системы, обеспечивающей формирование временной связи. Этот рисунок отличается от аналогичного, относящегося к импринтингу, прежде всего присутствием фактора положительного подкрепления. В случае условного рефлекса на обучающемся нейроне сходятся два потока сигналов — сенсорная информация от центра, обеспечивающего восприятие исходно незначимого стимула, и сигналы от гипоталамической системы положительного подкрепления. На рис. 4.21 показано, как такая конвергенция выглядит на синаптическом уровне. При этом сенсорные проекции в качестве медиатора используют все ту же глутаминовую кислоту (рецепторы помечены прямоугольниками), системы подкрепления — чаще всего моноамины (серотонин, норадреналин, дофамин; рецепторы помечены треугольниками).
В отличие от импринтинга, где для осуществления обучения было достаточно постоянно действующего сенсорного притока, в случае условного рефлекса необходима одномоментная активация обоих синаптических входов. В этом случае в цитоплазме одновременно появятся два вторичных посредника (на схеме ВтП1 и ВтП2), которые совместно подействуют на ядерную ДНК. Дальнейшие последствия аналогичны описанным для импринтинга: активируется синтез рецепторов к глутаминовой кислоте, которые затем встраиваются в постсинаптическую мембрану самого активного сенсорного синапса (подготовка мембраны к встраиванию дополнительных рецепторов является, видно, одной из функций ВтП1). В результате этого эффективность синаптической передачи резко возрастает, и ранее незначимый сигнал начинает запускать реакцию. Внешне это выглядит, как, например, появление реакции слюноотделения в ответ на включение лампочки.
Давно известно, что формирование долговременной памяти сопровождается синтезом РНК и белков. В 60-е годы это привело к появлению представлений о «молекулах памяти» и надежде на то, что когда-нибудь будут найдены и расшифрованы биополимеры, кодирующие индивидуальную память. Но все оказалось гораздо сложнее. Молекул памяти как носителей личного опыта индивидуума нет, и в этом отличие нервной памяти от генетической. Долговременная память связана с множественными изменениями свойств синапсов в нейронных сетях коры, которые при этом не имеют стандартной локализации. В случае каждого условного рефлекса мы знаем начало временной связи (сенсорный центр), ее окончание (корковое представительство безусловного рефлекса), но какова ее конкретная «траектория», какие нейроны и синапсы из миллиардов возможных претендентов оказались задействованы — остается тайной.
И еще одно существенное замечание. В случае импринтинга мы видели, что для успешного запечатления необходимо длительное сенсорное «давление» на обучающийся нейрон. Но если механизмы синаптических изменений при импринтинге и ассоциативном обучении близки, то каким же образом обычно очень непродолжительно действующий условный стимул ухитряется «раскачать» ядерную ДНК и рибосомальную активность? Ответ может быть получен за счет привлечения к процессу формирования долговременной памяти систем кратковременной памяти и круга Папеца.
Если сенсорный стимул сопровождается подкреплением, то это «подтверждает» его значимость и вызывает изменения в круге Папеца (активация NMDА-рецепторов в соответствующих нейронных циклах). Затем, когда действие условного стимула прекратится, активация из круга Папеца может поступать к обучающимся нейронам коры, «подменяя» реальный сигнал и продолжая активировать нейрохимические механизмы долговременного запоминания.
Изложенная концепция позволяет объяснить последствия, например, двустороннего повреждения круга Папеца, когда страдает не только система кратковременной памяти, но и формирование новой долговременной памяти. При этом уже имевшаяся у пациента долговременная память не нарушается. Таким образом, еще одну функцию круга Папеца и основной его структуры гиппокампа можно определить как обеспечение перезаписи информации из кратковременной формы хранения в долговременную.
Завершая главу, отметим, что в целом описанные типы высшей нервной деятельности можно свести к четырем основным вариантам:
безусловные рефлексы — в этом случае нервные связи заданы врожденно, они очень устойчивы;
суммация, привыкание, долговременная потенциация — нервные связи, сохраняющие информацию, являются врожденными (круг Папеца), но функционально они неустойчивы и могут в течение короткого времени как усиливаться, так и ослабляться;
импринтинг — нервная связь формируется в результате обучения, в дальнейшем она очень устойчива и не исчезает;
ассоциативное обучение — нервная связь формируется в результате сочетания с подкреплением; в дальнейшем при определенных условиях она может укрепляться либо угасать (условное торможение).
БЕЗУСЛОВНОЕ
И УСЛОВНОЕ ТОРМОЖЕНИЕ
В нервной системе можно наблюдать два базовых процесса — возбуждение и торможение. На уровне нервной клетки возбуждению соответствует уменьшение мембранной разности потенциалов (деполяризация), а торможению — ее увеличение (гиперполяризация).
Торможение, как и возбуждение, — активный (т. е. требующий затраты энергии) процесс, связанный с выбросом тормозных медиаторов, таких, как ГАМК, глицин. На уровне поведения торможение проявляется в виде ослабления либо полного прекращения двигательных и вегетативных реакций.
Развивая идеи И. М. Сеченова, И. П. Павлов выделил два типа торможения — безусловное и условное. К первому из них, по аналогии с безусловными рефлексами, он отнес не нуждающиеся в выработке врожденные видоспецифичные формы торможения. Различные варианты условного торможения, как и условные рефлексы, вырабатываются в течение жизни, индивидуальны и требуют специального обучения.
Безусловное торможение Павлов подразделил на внешнее и запредельное (табл. 4.3).
Внешнее торможение впервые было описано в ситуациях, когда неожиданные посторонние сигналы угнетали выработанные в ходе экспериментов условные рефлексы. На такие раздражители (громкий звук, сильный запах) у собак возникал ориентировочный рефлекс, на фоне которого остальная деятельность временно прекращалась. У человека подобное явление называется отвлечением. Именно из-за внешнего торможения отсутствие помех является одним из условий успешной выработки условных рефлексов. Биологический смысл внешнего торможения — остановка текущей деятельности организма и реализация исследовательского поведения, поскольку из внешней среды может поступить жизненно важная информация.
Ситуация внешнего торможения иллюстрирует проявление одного из важнейших принципов работы мозга — принципа доминанты. Учение о доминанте было разработано А. А. Ухтомским (1875—1942), обратившего внимание на то, что, несмотря на все многообразие возможных реакций, в ЦНС в каждый момент времени может быть выделен один главный, господствующий очаг возбуждения («ведущий» безусловный рефлекс). Этот очаг и связанная с ним деятельность были названы доминантой. Доминантная область мозга через тормозные интернейроны может снижать возбудимость других аналогичных центров. Более того, направлявшиеся в эти центры сигналы начинают с большей вероятностью возбуждать доминантный очаг, т. е. поступающая в ЦНС информация будет анализироваться с точки зрения соответствующего типа деятельности. Например, если
Тип торможения
Вид торможения
Краткая характеристика
Биологическое значение
Безусловное
Внешнее
Отвлечение при действии неожиданных новых стимулов
Смена доминанты, переключение на сбор новой информации
Запредельное
Результат утомления
«Охранительное», защита нервной системы от повреждения
Условное
Угасатель- ное
Ослабление реакции при непод- креплении условного стимула
Отказ от неэффективных поведенческих программ, забывание неиспользуемых программ
Дифферен- цировочное
Прекращение реакции на сходный с условным, но неподкрепляемый стимул
Тонкое различение близких по параметрам сенсорных сигналов
Условный тормоз
При предъявлении стимула, сигнализирующего, что вслед за условным раздражителем подкрепления не будет
«Запреты», остановка текущей деятельности при определенных условиях
Запаздыва- тельное
Во время паузы между условным сигналом и отставленным от него подкреплением
«Ожидание», «подкарауливание»
Таблица 4.3
ВИДЫ ТОРМОЖЕНИЯ (ПО И. П. ПАВЛОВУ)ВИДЫ ТОРМОЖЕНИЯ (ПО И. П. ПАВЛОВУ)
ВИДЫ ТОРМОЖЕНИЯ (ПО И. П. ПАВЛОВУ)
ВИДЫ ТОРМОЖЕНИЯ (ПО И. П. ПАВЛОВУ)
мы очень голодны, все сенсорные сигналы рассматриваются как несущие информацию о возможном удовлетворении пищевой потребности.
В каждый момент времени существует только одна явная доминанта, и в ЦНС происходит постоянная конкуренция различных безусловных рефлексов, в результате которой побеждает наиболее возбужденный центр. Победа эта только временная, и в случае необходимости нервная система способна оперативно менять (переключать) доминанту. Торможение условно-рефлекторного слюноотделения собаки при громком звуке, прекращение плача ребенка при виде яркой игрушки — все это примеры смены доминанты.
Запредельное торможение возникает в нервной системе в ответ на сильные или длительно действующие раздражители, когда наступает предел работоспособности (утомление) нервных клеток. Этот вид торможения Павлов назвал также охранительным (защитным). Перевозбуждение человека, постоянный шум и яркий свет, длительная и интенсивная умственная деятельность могут привести к состоянию заторможенности.
Конкретные физиологические причины запредельного торможения могут быть разными: включение особых тормозных механизмов, ограничивающих возбуждение в нейросетях, недостаток питания (глюкозы) и кислорода, накопление отходов обмена веществ, истощение запасов медиаторов в синапсах, нарушение ионного баланса в нервной ткани. При этом утомление тормозных нейронов часто наступает раньше, чем активационных. В результате первая стадия запредельного торможения может иметь парадоксальный характер: наблюдается всплеск плохо контролируемой активности, эмоций (капризы и плач маленького ребенка перед засыпанием), после чего происходит общее торможение деятельности мозга.
Самый естественный способ устранения запредельного торможения — отдых и сон. Если запредельное торможение велико, сон наступает очень быстро. Клиническим вариантом запредельного торможения является летаргический сон, возникающий в результате тяжелых психических травм, причем больной может находиться в таком состоянии в течение недель и месяцев.
Перейдем к условному торможению, т. е. к ситуации, когда у животного (человека) вначале выработан условный рефлекс, а затем происходит его модификация. Павлова гораздо
больше интересовал именно этот вид торможения, поскольку он вызывает изменение существующих временных связей. Выделено четыре основных варианта условного торможения — угасательное, дифференцировочное, условный тормоз и запаз- дывательное.
Угасательное торможение (угашение условного рефлекса) развивается в том случае, когда при уже выработанной временной связи условный раздражитель перестает сопровождаться подкреплением. В итоге рефлекторный ответ (рис. 4.22) постепенно уменьшается по S-образной кривой, очень сходной с кривой обучения. Чем чаще предъявляется неподкрепляемый условный раздражитель, тем быстрее идет угашение. Чем прочнее условный рефлекс, тем хуже он угашается (оборонительный медленнее, чем пищевой).
Важно, что при угасательном торможении происходит не разрушение временной связи, а лишь ее блокирование, переход в скрытое состояние. Действительно, если на фоне уже произведенного угашения подать подкрепление, то реакция проявится в полном объеме уже при следующем включении
Номер сочетания лампочки и пищи
Рис. 4.22. График угасания условного рефлекса слюноотделения при отмене подкрепления и растормаживания реакции на условный стимул после однократного кормления (отмечено стрелкой)
условного стимула. Павлов назвал явления такого рода растормаживанием.
Нейрофизиологическая основа угашения (и условного торможения вообще) связана с деятельностью центра отрицательного подкрепления. Активация этого центра происходит при получении отрицательного подкрепления, а также при неполучении ожидаемого положительного подкрепления. В последнем случае к дуге уже сформированного условного рефлекса присоединяется «тормозной блок», представляющий собой корковый тормозный интернейрон, «обучающийся» реагировать на активацию центра отрицательного подкрепления. При растормаживании центр положительного подкрепления по принципу доминанты выключает центр отрицательного подкрепления, что приводит к снятию торможения с временной связи.
Угашение — биологически важное приспособление, благодаря которому организм перестает напрасно тратить энергию и реагировать на сигнал, потерявший свое значение. В ходе угасательного торможения идет отрицательное обучение, переводящее временные связи (память) в скрытое состояние с тем или иным уровнем доступности. При длительном неиспользовании условных рефлексов идет их самопроизвольное угашение («забывание»).
Второй вид условного торможения — дифференцированное. Оно вырабатывается при противопоставлении двух сходных сенсорных агентов — постоянно подкрепляемого и не- подкрепляемого. В эксперименте Павлова вначале был образован пищевой слюноотделительный условный рефлекс на стук метронома, настроенного на частоту 120 ударов/мин. Если затем предъявить метроном с другой частотой, например 60 ударов/мин, он также будет вызывать условную реакцию. В дальнейшем производилось чередование подкрепляемого метронома 120 ударов/мин и метронома 60 ударов/мин, чье включение не подкреплялось. После 20—30 таких «парных» стимуляций оказывается, что собака начинает различать (дифференцировать) один метроном от другого; реакция на первый из них сохраняется, на второй — исчезает.
В отличие от ситуации угасательного торможения, в данном случае рефлекс на исходный условный стимул сохраняется. Суть происходящего заключается в сенсорной перенастройке мозга. Центр, воспринимающий условный сигнал, начинает работать более тонко, избирательно и различать ин-
формационные каналы, по которым поступает возбуждение после применения первого и второго метрономов.
Задача эта непростая, так как степень сходства двух используемых стимулов очень высока: применяется одинаковый по громкости, высоте и другим характеристикам звуковой щелчок (звук метронома), и разница заключается лишь в частоте следования щелчков, поэтому подключающийся в данном случае к рефлекторной дуге «тормозный блок» должен быть установлен в сенсорных центрах и локально блокировать те сенсорные входы, которые являются общими для обоих метрономов (рис. 4.23).
Чем ближе сенсорные характеристики дифференцируемых сигналов, тем длительнее и тяжелее для нервной системы процедура выработки различения. При некотором уровне сходства дифференцировка вообще невозможна: различение звуковых тонов, отличающихся на 1/8 нотного ряда, возможно для собак, но далеко не для всех людей. У крыс бессмыс-
Рис. 4.23. Схематическое представление процесса диффе- ренцировочного торможения как избирательного выключения отдельных сенсорных каналов: 1 — связи внутри сенсорных систем; 2 — связи, появившиеся при обучении (часть из них блокируется в результате дифференцировоч- ного торможения; они перечеркнуты): @ — нейроны, осуществляющие анализ сенсорных сигналов; О — нейроны коркового представительства безусловного рефлекса
ленно вырабатывать дифференцировку на частоту ударов метронома, но легко выработать различение звука по громкости.
Дальнейший анализ явления дифференцировочного торможения показал, что оно имеет более широкий спектр проявлений, чем предполагалось изначально, и участвует в образовании любого условного рефлекса. Действительно, на начальной стадии обучения формирование временных связей происходит между корковым представительством безусловного рефлекса и множеством разномодальных сенсорных центров коры, т. е. формируется большое количество обстановочных условных рефлексов. Павлов назвал это стадией генерализации условного рефлекса.
Так, в случае условной реакции активного избавления (см. разд. 4.4) на начальной стадии обучения само помещение в экспериментальную камеру вызывает у крысы прыжок на полку, иными словами, действия зрительных, обонятельных, тактильных обстановочных стимулов оказывается вполне достаточно для запуска реакции. Приходится специально угашать эти рефлексы, раз за разом снимая крысу с полки и опуская ее на пол камеры. При этом условный стимул (звонок) продолжает подкрепляться. В результате дифференцировоч- ное торможение «убирает» временные связи, сформировавшиеся между центрами неслуховых сенсорных систем и двигательным центром. При дальнейшем обучении дифференцировка затронет уже слуховую систему, и постепенно можно добиться, чтобы прыжок не запускался иными звуками, кроме звонка. В результате из множества изначально сформировавшихся реакций сохранится только одна, т. е. мозг окажется специально настроенным реагировать на условный стимул (по Павлову — наступит стадия специализации условного рефлекса).
Как генерализация, так и специализация условных рефлексов имеют достаточно очевидный биологический смысл. Попав в новую ситуацию и получив подкрепление в первый раз, особь не знает, какие из воздействовавших на нее сенсорных стимулов действительно значимы (сигнализируют о появлении подкрепления), а какие — случайны. В таком положении формирование временных связей идет по избыточному принципу: устанавливаются ассоциации между всеми активированными центрами. Хотя качество деятельности еще невелико, происходит быстрая модификация поведения в зависимости от условий среды. Все это особенно важно, когда особи
угрожает опасность (очевидно, что лучше выполнить лишнюю оборонительную реакцию, чем погибнуть из-за того, что эта реакция еще не сформирована).
В дальнейшем по мере повторов ситуации случайные раздражители появляются редко, а значимые — стабильно; кроме того, случайные раздражители могут встретиться и в других ситуациях, причем подкрепления вслед за ними не последует. Все это будет вести к укреплению одних временных связей, у гашению и дифференцировочному торможению других, иначе — к переходу к более «экономичному» специализированному варианту организации условно-рефлекторного ответа.
Третий тип условного торможения называется условный тормоз. В экспериментах Павлова он вырабатывался следующим образом: к условному раздражителю (например, включение лампочки) присоединялся еще один исходно индифферентный сигнал (звонок), и это сочетание не подкреплялось; в то же время одиночный условный раздражитель продолжал подкрепляться. Иными словами, проводилось чередование подкрепляемой лампочки и неподкрепляемого комплекса звонок плюс лампочка. Оказалось, что исходно собака реагирует на этот комплекс, но по мере проведения обучения реакция ослабевает и прекращается. Следовательно, звонок (он и был определен как «условный тормоз») становится специфическим сигналом, чье появление предотвращает реакцию на условный раздражитель.
Характерно также то, что хорошо отработанный условный тормоз при первом же использовании перед каким-либо другим условным рефлексом ослабляет или даже полностью блокирует его. Следовательно, в отличие от двух предыдущих случаев, когда влияние отрицательного обучения распространялось только на «свою» временную связь, условный тормоз способен вызывать достаточно генерализованное торможение всей сети приобретенных рефлексов. Это позволяет предположить, что в данном случае процедура обучения (увеличения эффективности синапсов) происходит на входе в центр отрицательного подкрепления, который, в свою очередь, при появлении условного тормоза блокирует широкий круг функций головного мозга (рис. 4.24).
Данный тип условного торможения встречается довольно часто и в обычной жизни: это ситуации, связанные с запретом в определенных условиях какой-либо деятельности. Например, кошка в присутствии хозяина не залезет на стол с едой
Сенсорные нейроны
Рис. 4.24. Структурная схема влияния центра отрицательного подкрепления на условно-рефлекторную деятельность мозга при различных типах условного торможения
(вид еды — условный раздражитель; наличие хозяина — условный тормоз пищевой реакции). Роль мощного условного тормоза играет у человека (ребенка) слово «нельзя». При дрессировке служебных собак стремятся выработать остановку всякого текущего поведения на команду «фу».
Четвертый вид условного торможения — запаздыватель- ное. Оно проявляется при выработке отставленных условных рефлексов, т. е. в случаях, когда между условным стимулом и подкреплением создается значительный интервал. В экспериментах Павлова исходно этот интервал составлял 10—20 с, пища давалась не на фоне действия условного стимула, а после его выключения. Выработав условный рефлекс, интервал начинали увеличивать, доводя до двух минут. Если такое увеличение осуществлять достаточно медленно, рефлекс не разрушается, и можно наблюдать, что в первые 1 —1,5 мин после условного стимула у собак развивается заторможенное состояние. Некоторые животные даже на короткое время засыпали, просыпаясь ближе к моменту получения подкрепления и демонстрируя условно-рефлекторное слюноотделение.
Таким образом, данный тип условного торможения характерен для ситуаций ожидания, когда мозг должен некоторое время находиться в состоянии готовности к деятельности, затрачивая при этом минимум энергии. В природе проявления
запаздывательного торможения чрезвычайно свойственны хищникам, охотящимся из засады (кошачьи).
В этом случае, как и в случае условных рефлексов на время, мы вновь встречаемся со способностью нервной системы «отсчитывать» временные интервалы — на этот раз между условным стимулом и подкреплением; именно на этот интервал происходит блокирование временной связи. Важно также то, что запаздывательное торможение снижает уровень активности всей нервной системы, действуя, как и в случае условного тормоза, на входе в центр отрицательного подкрепления (рис. 4.24). Переход в состояние общей заторможенности и сна очень характерен для людей, длительное время находящихся в положении ожидания какого-либо события (сигнала).
Итак, мы рассмотрели четыре вида условного торможения, суть которых состоит в модификации уже имеющихся условных рефлексов. Система подобного отрицательного обучения — необходимое дополнение системы положительного обучения, т. е. собственно процедуры выработки условных рефлексов; оба этих процесса необходимы для гибкой, адекватной адаптации поведения к меняющимся условиям внешней среды. Условное торможение является в большинстве случаев даже более сложной задачей и в ходе эволюции развивается позже, чем способность к образованию ассоциативных связей.
СИСТЕМА СНА И БОДРСТВОВАНИЯ
Возбуждение и торможение, возникнув в определенном участке нервной системы, способны распространяться. Этот процесс, открытый еще в XIX веке, получил название иррадиации. Так, если раздражать электрическим током двигательную область коры, то постепенно в ответ вовлекается все большее количество мышц, а затем реакция выходит за пределы двигательной системы, например, повышается слюноотделение и учащается сердцебиение.
Зная механизмы работы мозга на клеточном уровне, легко понять, что в основе иррадиации лежит распространение ПД по аксонам возбуждающих либо тормозных нейронов. Учтем также процессы суммации, когда, повышая возбудимость синапсов, повторные нервные сигналы «прокладывают» себе путь, все более удаляясь от точки возникновения.
При снижении уровня возбуждения (торможения) наблюдается противоположный по отношению к иррадиации феномен — концентрация (сосредоточение) нервных процессов в исходном пункте. Важно, что при концентрации в определенном участке мозга нервный процесс одновременно вызывает (индуцирует) противоположный нервный процесс в окружающих зонах. В том случае, когда возбуждение индуцирует торможение, говорят об отрицательной индукции. В обратном случае, когда торможение индуцирует возбуждение, индукция положительная. Особенно важное биологическое значение имеет отрицательная индукция. Смысл ее таков: сильный очаг возбуждения способен тормозить другие аналогичные очаги в нервной системе (так реализуется принцип доминанты).
Наиболее широкие процессы иррадиации возбуждения и торможения в ЦНС обеспечивают системы сна и бодрствования.
У человека выявлено большое число физиологических показателей, которые изменяются с периодом в 24 ч (температура тела, артериальное давление, выделение гормонов), причем такая ритмичность сохраняется даже при неизменности всех внешних факторов (например, если человек долгое время находится в пещере). Это говорит о том, что в процессе эволюции в условиях планеты Земля, совершающей оборот вокруг своей оси за 24 ч, организмы приспособились к такому ритму и появились эндогенные (внутренние) механизмы, обусловливающие его сопровождение. Запускаемые ими ритмы принято называть околосуточными, или циркадианными (лат. circa — около и dies — день). Наиболее выражен суточный цикл сон — бодрствование. Он реализуется как за счет безусловно-рефлекторной основы, главные компоненты которой относятся к группе витальных врожденных реакций, так и за счет определенных адаптивных процессов, которые и будут рассмотрены ниже. ■
Состояние бодрствования характеризуется высокой нервной активностью. В это время происходит взаимодействие организма с внешней средой, формирование и реализация различных рефлекторных реакций. Бодрствующее состояние поддерживается особыми центрами бодрствования.
Сон — это физиологическое состояние, при котором значительно снижается реакция нервной системы и всего организма на внешние раздражители. Состояние сна является следствием включения особых центров сна головного мозга и
сопровождается снижением интенсивности физиологических процессов, общей неподвижностью.
Павлов предлагал выделять два вида сна — активный и пассивный. Первый он определял как возникающий при отсутствии (недостатке) внешних раздражителей. Соответственно для поддержания бодрствующего состояния часто необходим некоторый минимум сенсорных стимулов.
Активный сон, по Павлову, возникает как результат работы особых центров сна. Павлов представлял активный сон в виде тормозного процесса, иррадиирующего из определенного утомленного центра коры и захватывающего весь головной мозг. Дальнейшие исследования показали, что гораздо чаще источником сна являются другие, более глубоко расположенные структуры головного мозга.
Кратко охарактеризуем основные центры бодрствования и сна головного мозга (рис. 4.25).
Функции главного центра бодрствования нашего мозга выполняют в ЦНС ретикулярные ядра моста. Каждая сенсорная система, помимо передачи информации в специфические зрительные, слуховые, вкусовые зоны, часть сигналов направляет именно сюда. В ретикулярных ядрах моста (ретикулярная
Рис. 4.25. Структурная схема главных центров сна и бодрствования головного мозга
формация моста) происходит их суммирование и оценка общего уровня сенсорного «давления» на организм. Далее сигналы от ретикулярных ядер чрезвычайно широко иррадиируют по ЦНС. Анатомическую основу для этого обеспечивают коллатерали аксонов их нейронов, которые образуют возбуждающие синапсы на самых разных уровнях — от коры больших полушарий до серого вещества спинного мозга.
Таким образом, чтобы вывести мозг из сонного состояния, достаточно подать сильный сенсорный сигнал (звонок будильника), а для ускорения утреннего пробуждения и вхождения в «рабочий режим» полезны яркий свет или сильные вкусовые ощущения. Чем больше информации поступает из внешней среды, тем активнее функционирует и откликается на нее мозг. Однако при переизбытке сигналов работоспособность нервной системы может истощиться, и тогда возникнет охранительное запредельное торможение. С другой стороны, при недостатке раздражителей уровень бодрствования упадет и станет возможным переход в состояние пассивного сна.
В качестве ключевых центров сна рассматриваются содержащие серотонин структуры среднего мозга и моста (ядра шва) и влияющее на них центральное серое вещество среднего мозга. Функции серотонина как медиатора нервной системы уже обсуждались в разделе, посвященном общей физиологии нервной системы. Напомним, что они связаны с тормозной модуляцией сенсорных входов. Как и в случае ретикулярных ядер моста, коллатерали аксонов серотонинергических нейронов обнаруживаются на всех уровнях ЦНС.
Между ретикулярными ядрами моста и центрами сна существуют антагонистические отношения, являющиеся частным случаем проявления принципа доминанты. При этом глутаматергические нейроны центров бодрствования нуждаются в посреднике для реализации тормозного действия на центры сна. Роль такого посредника выполняет голубое пятно — область норадренергических нейронов в верхней части моста. Стимуляция этой зоны вызывает выключение центров сна и пробуждение.
Следующей важной областью, связанной с регуляцией суточных ритмов, являются супрахиазменные ядра гипоталамуса. Контактируя со зрительной системой, они оказываются настроенными на суточные колебания освещенности в окружающей среде. В результате часть нервных клеток этой области обнаруживает активность в темноте, а часть — в светлое время суток. Первые посылают свои аксоны в центры сна,
вторые— в центры бодрствования. Нейроны супрахиазмен- ных ядер обладают свойством автоматизма (будучи изолированными от всего остального мозга, продолжают поддерживать суточный ритм). Их назначение состоит в том, чтобы вовремя сообщить ретикулярным ядрам моста, что уже «пора вставать», а центральному серому веществу и ядрам шва — что уже «пора спать».
Здесь, как и в случае рефлексов на время и запаздыватель- ного условного торможения, мы сталкиваемся с присущей нервным структурам способностью оценивать и отсчитывать временные интервалы. Какие процессы лежат в ее основе? Если речь идет о коротких временных интервалах (секунды — десятки секунд), мы, как правило, имеем дело с нейрона- ми-пейсмекерами либо замкнутыми нейронными контурами, по которым с определенным периодом циркулирует возбуждение. Если это десятки минут и часы (как в случае супрахиаз- менных ядер), то можно говорить о некоторых внутриклеточных ритмах, когда в роли счетчика времени выступают цепочки биохимических реакций.
Несмотря на свойство автоматизма, супрахиазменные ядра способны перенастраиваться под действием навязанного извне суточного ритма активности (освещенности). Это оказывается особенно необходимым при резкой смене часовых поясов, когда день превращается в ночь, а ночь — в день. Перенастройка занимает до двух недель. Частая смена часовых поясов, отсутствие стабильного режима дня, круглосуточное бодрствование ухудшает состояние супрахиазменных ядер, что может привести к серьезным сбоям в ее функционировании, проблемам с засыпанием, бессоннице.
Последняя из представленных на рис. 4.25 структур — ретикулярные ядра продолговатого мозга. Не являясь самостоятельными центрами сна, они посылают в центральное серое вещество сигналы, связанные с оценкой содержания в крови различных важных для деятельности мозга веществ (глюкозы, токсинов, отходов обмена веществ). За счет активации ретикулярной формации продолговатого мозга сонное состояние может развиться после еды, при болезнях, физическом утомлении.
В целом можно заключить, что центры сна и бодрствования находятся в постоянных конкурентных отношениях и степень доминирования тех или других зависит от многих факторов: времени суток, сенсорной нагрузки, физического состояния. Это позволяет нервной системе гибко варьировать
256 4. ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ общий уровень своей активности в зависимости от значимости текущей деятельности (ожидаемого подкрепления) и степени утомления. В результате ЦНС, с одной стороны, функционирует в режиме максимальной экономии ресурсов, с другой — в случае необходимости может быстро переходить в состояние высокой работоспособности, быстрого и адекватного реагирования на внешние стимулы.
С помощью электрофизиологических методик установлено, что естественный ночной сон состоит из нескольких повторяющихся циклов. В течение каждого такого цикла наблюдаются закономерные изменения в электроэнцефалограмме (ЭЭГ) — электрической активности коры больших полушарий. Две основные характеристики ЭЭГ — это частота и амплитуда составляющих ее волн. Известно, что в зависимости от функционального состояния человека характер ЭЭГ меняется: чем больше активность мозга, тем больше частота и ниже амплитуда волн ЭЭГ.
В спокойном бодрствующем состоянии в ЭЭГ преобладает альфа-ритм (8—12 Гц), при активной умственной деятельности он сменяется бета-ритмом (13—30 Гц). Во время засыпания активность коры снижается и в ЭЭГ появляются сначала тета-волны (4—7 Гц), а затем дельта-волны (1—3 Гц) (рис. 4.26). Сон с преобладанием медленных дельта-волн является основ-
Рис. 4.26. Изменение электроэнцефалограммы человека при развитии сна: а — бодрствование; б — сонливость; в — поверхностный сон; г — глубокий сон; д — медленный сон; е — парадоксальный сонРис. 4.26. Изменение электроэнцефалограммы человека при развитии сна: а — бодрствование; б — сонливость; в — поверхностный сон; г — глубокий сон; д — медленный сон; е — парадоксальный сон
Рис. 4.26. Изменение электроэнцефалограммы человека при развитии сна: а — бодрствование; б — сонливость; в — поверхностный сон; г — глубокий сон; д — медленный сон; е — парадоксальный сон
Рис. 4.26. Изменение электроэнцефалограммы человека при развитии сна: а — бодрствование; б — сонливость; в — поверхностный сон; г — глубокий сон; д — медленный сон; е — парадоксальный сон
в)
д)д)VVWA/Vvv\\<a
д)
д)
V\AW\^A/VV\rA
ной фазой сна (около 80% общей его длительности) и называется медленным сном. В ходе медленного сна наблюдается глубокое торможение большинства областей ЦНС, происходит «физиологический отдых» — восстановление запасов химических веществ и энергии, затраченных во время бодрствования.
Можно наблюдать, что в течение ночи медленный сон 4—5 раз периодически сменяется другой фазой сна. В это время дельта-волны замещаются на быструю низкоамплитудную активность, сходную с ЭЭГ в состоянии бодрствования. Кроме того, наблюдается повышение температуры, частоты дыхания и сердцебиений, артериального давления, усиление потоотделения, но порог пробуждения в этот момент оказывается еще выше, чем при медленном сне, т. е. торможение сенсорных входов достигает максимума. Происходит также исчезновение мышечного тонуса (полное расслабление мускулатуры). Совокупность данных признаков позволила назвать данную фазу сна парадоксальной или быстрым сном. Во время этой стадии можно наблюдать также быстрые движения глазных яблок — отсюда третье название: стадия быстрых движений глаз, или стадия БДГ (англ, rapid eye movement — REM-сон).
Во время первого цикла (после первого интервала медленного сна) стадия БДГ еще очень короткая — примерно 5 мин. Но с каждым новым циклом ее длительность нарастает и достигает 20—25 мин (суммарно около 20% от всей длительности сна). Показано, что если человеку не позволять в течение ночи находиться в этой стадии, то утром он оказывается не- выспавшимся, отмечается повышенная утомляемость и раздражительность. При длительном лишении быстрого сна могут развиться неврозы. Предполагается, что во время быстрого сна мозг осуществляет обработку информации, накопленной за прошедший период бодрствования. Судя по имеющимся данным, именно эта обработка является главной причиной сновидений.
Еще Сеченов определял сновидения как «небывалые комбинации бывалых впечатлений». Действительно, если проанализировать любой сон, то можно увидеть, что он складывается из уже известных элементов. Однако в итоге сновидения могут носить не только образно-эмоциональный, но также прогностический и творческий характер, отражая все многообразие деятельности нашего мозга.
Чрезвычайно характерно, что стадия БДГ у взрослых заметно сокращается по сравнению с детьми. Не исключено, что
это связано с постепенным снижением новизны получаемых от жизни впечатлений. Анатомически с запуском БДГ-сна связана гигантоклеточная область ретикулярных ядер продолговатого мозга, а также часть нейронов голубого пятна.
Представленные на рис. 4.25 центры обеспечивают врожденные механизмы сна и бодрствования, но, исходя из общих принципов организации ВИД, над этой системой может быть надстроено некоторое количество условных рефлексов. Так, если сон начинается в одно и то же время в постоянном месте, факторы времени и обстановки могут стать условными стимулами. Сон, возникающий при этом, как и всякая приобретенная реакция, имеет корковое происхождение и называется условно-рефлекторным.
Как уже говорилось, снотворные препараты в большинстве своем являются агонистами ГАМК. Основное их действие направлено на блокаду таламо-кортикальной передачи сенсорной информации за счет усиления внутриталамического торможения. Введение агонистов ГАМК не только прерывает сенсорный приток в кору (выключение сознания), но и резко ограничивает тонус ретикулярных ядер моста, что снижает общий уровень активности в мозге и приводит к переходу к естественному сну. В норме снотворный препарат нужен только для запуска сонного состояния, однако при перевозбуждении или нарушениях функций центров сна переход к естественному сну может не произойти. В этом случае через 2—3 ч наступит пробуждение и человек будет вынужден принять следующую дозу препарата. Понятно, что в такой ситуации полноценный отдых ЦНС невозможен.
Отдельным видом сна коркового происхождения является гипнотический сон. В этом случае производится длительное монотонное сенсорное воздействие. Его цель — вызвать запредельное торможение локальной корковой зоны, которое затем распространится на всю кору больших полушарий, приводя к засыпанию и выключению сознания. На этой стадии крайне важно желание пациента быть загипнотизированным, поскольку любое сопротивление с его стороны нарушит иррадиацию торможения. После засыпания гипнотизер, используя различные словесные команды, может растормозить отдельные корковые зоны и, не пробуждая пациента, вызвать у него разнообразные двигательные и речевые реакции, в том числе обычно подавляемые сознанием.
Ситуация, когда большинство зон коры (в том числе центры сознания) заторможены, а часть из них — нет, наблюдает-
ся и при сомнамбулизме (снохождении). Сомнамбулизм рассматривается как вариант патологического сна, обусловленный нарушением баланса возбуждения и торможения в локальных зонах коры больших полушарий. Другой вариант патологического сна — летаргический сон (упоминался выше в связи с развитием чрезвычайно сильного запредельного торможения).
ТИПЫ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (ТЕМПЕРАМЕНТЫ)
Взгляды И. П. Павлова на типы ВНД устанавливались в течение почти 30 лет. В первой из предложенных классификаций он выделил 3 группы животных (собак): с преобладанием возбудительного процесса над тормозным; с преобладанием тормозного процесса над возбудительным; уравновешенные, с развитыми процессами как возбуждения, так и торможения.
В дальнейшем по поводу второй группы появились серьезные сомнения. Описывая собак «с тормозным типом нервной системы», Павлов отмечал, что для этих животных характерно очень долгое привыкание к экспериментатору и экспериментальной обстановке. Посторонние раздражители дают у них растормаживание и очень сильно ослабляют обычные условные рефлексы.
Павлов приводит пример, когда собаки его лаборатории едва не погибли при наводнении (их содержали в подвале на Васильевском острове). Одна из них была «тормозного» типа, и все ее условные рефлексы вследствие перенесенной опасности исчезли, постепенно восстановившись только через несколько недель. Тогда решили проверить, действительно ли это был эффект наводнения, и стали лить воду под дверь вивария. В результате у собаки началась истерическая реакция и опять исчезли условные рефлексы — на этот раз на несколько месяцев, т. е. развилось состояние, которое в клинике называется травматическим неврозом.
В целом на основе полученных данных Павлову пришлось «переименовать» тормозной тип в тип с «малым запасом возбудимости», поскольку оказалось, что наблюдаемое у этих животных торможение по сути своей является Запредельным (охранительным). На уровне поведения для них характерны постоянные пассивно-оборонительные реакции — проявления страха и паники.
Но и в этом виде классификация типов ВНД Павлова не удовлетворяла, поскольку имела чисто описательный характер. Он продолжал поиски, пока наконец не сформулировал представление о трех свойствах нервной системы, на базе которых произвел разделение по типологии поведения.
Назовем и охарактеризуем эти свойства.
Сила нервных процессов, иначе сила возбуждения и торможения. Сильными животными (или животными с сильными нервными процессами) считаются те, которые легко образуют условные рефлексы на интенсивно и очень интенсивно действующие раздражители. У животных со слабыми нервными процессами вместо этого развивается запредельное торможение. Главное назначение этого свойства — дать меру работоспособности нервной системы, способности достаточно долго противостоять утомлению.
Уравновешенность нервных процессов. Здесь выделены два основных варианта: возбуждение и торможение уравновешивают друг друга (уравновешенный тип) либо процессы возбуждения преобладают над процессами торможения (неуравновешенный тип).
Подвижность нервных процессов. С помощью этого свойства можно оценить способность нервной системы быстро менять свое состояние — переходить от возбуждения к торможению, и обратно.
Различные варианты сочетаний этих свойств дают довольно большое количество типов ВНД. Однако Павлов, проводя классификацию, старался держаться в рамках четырех классических темпераментов, выделенных еще Гиппократом (рис. 4.27).
Проведем разделение по первому свойству: среди всех животных можно выделить сильных и слабых. Свойства слабых уже достаточно подробно описаны выше. Слабый тип Павлов соотнес с меланхолическим темпераментом, по Гиппократу.
Проведем дальнейшее разделение только сильного типа на подтипы сильных уравновешенных и сильных неуравновешенных. Характерным признаком второго из них будет затрудненность отрицательного обучения (выработки условного торможения, особенно его сложных вариантов — условного тормоза и запаздывательного). Выработанные тормозные реакции у сильных неуравновешенных животных легко растормаживаются. Для их повседневного поведения характерна повышенная возбудимость и агрессивность, плохая управля-
Рис. 4.27. Классификация типов высшей нервной деятельности (по И. П. Павлову)
емость. Сильный неуравновешенный тип Павлов соотнес с холерическим темпераментом, по Гиппократу.
Проведем заключительное разделение сильного уравновешенного типа по признаку подвижности на подвижных и инертных. И те и другие одинаково хорошо формируют как условные рефлексы, так и условное торможение. Однако при быстрой смене характера деятельности (условный рефлекс, далее условное торможение, далее опять условный рефлекс) некоторые из них могут отказаться работать — перестанут выполнять условные рефлексы, не будут успевать переключаться. Еще более сложная задача выглядит следующим образом. Сначала сделаем лампочку условным стимулом, затем угасим на нее реакцию, а затем придадим ей значение условного тормоза. Такая процедура называется «переделка сигнального значения раздражителя». Те животные, которые способны ее быстро осуществить (за 5—6 дней экспериментов), — это сильный уравновешенный подвижный тип (собаки-сангвиники); те, которые делают это с трудом или с большим трудом, — сильный уравновешенный инертный тип (собаки-флегматики). На уровне повседневного поведения подвижный тип гораздо более активен, любопытен, общителен, но в отсутствии новой информации легко впадает в «скучающее» состояние и
засыпает. Поведение инертного типа гораздо более ровное, спокойное, стабильное.
Дальнейшие усилия Павлова и его сотрудников были направлены на поиск наиболее информативных приемов для тестирования свойств нервной системы. Приведем несколько примеров.
Для определения силы возбуждения было предложено использовать очень громкую трещотку как условный раздражитель в пищевом рефлексе. При этом у сильного типа трещотка становилась условным сигналом, причем реакция на нее (как на чрезвычайно интенсивный раздражитель) была даже больше, чем на другие условные стимулы. У другой части сильных животных трещотка становилась условным сигналом, но реакция на нее была меньше, чем на более слабые условные стимулы (случай частичного запредельного торможения). Для слабого типа также наблюдалось два основных варианта реагирования: трещотка тормозила все имеющиеся условные рефлексы (общее запредельное торможение) либо вызывала серьезное расстройство поведения («невроз») уже после 1—2 применений.
Для тестирования силы торможения было предложено использовать удлинение процедуры дифференцировочного торможения, т. е. стимул, который животное было обучено отличать от условного (например, метроном с более низкой частотой ударов), включали не на 15 с (как в обычном эксперименте), а на 5—10 мин. Для собак с сильным торможением это не создавало никаких проблем. Но при слабом торможении у животного уже через 1—2 мин могла нарушиться вся система условных рефлексов, а через 5 мин — развиться невроз. Подобная реакция наблюдалась и у собак-холериков, и у собак-меланхоликов. Оценивалась также скорость и полнота выработки условного торможения. Если последнее остается частично «недоделанным», то мы наблюдаем ситуацию доминирования возбуждения над торможением (холерики). Если же условное торможение сохраняет способность к резким колебаниям и даже полному исчезновению, можно говорить о явно выраженной слабости торможения (меланхолики).
Подвижность нервных процессов, как сказано выше, определялась путем оценки способности животных к переделке условных реакций. Позже было предложено оценивать это свойство посредством введения изменений в систему динамического стереотипа (см. следующую главу). Было отмечено также, что с возрастом подвижность нервных процессов уменьшается.
Наконец, упомянем еще одну любопытную работу Павлова, посвященную тому, как двухмесячный летний перерыв в работе повлиял на условные рефлексы собак с разным типом ВНД. Обнаружено, что в результате перерыва у собаки-сангвиника все условные рефлексы, на первый взгляд, исчезли. Животное, попав в опыт, было возбуждено (проявлялся рефлекс свободы). Однако после применения стимула, вызвавшего дифференцировочное торможение, условные рефлексы восстановились. Павлов делает вывод, что, иррадиировав по коре, данное торможение погасило очаги избыточного возбуждения и вернуло систему безусловных и условных рефлексов в «рабочее» состояние. У собаки-холерика после перерыва все пищевые рефлексы проявились в усиленном виде; реакции условного торможения (дифференцировки), напротив, были ослаблены и восстанавливались с трудом. Для животного слабого типа экспериментальная обстановка вновь стала фактором, вызывающим запредельное торможение, — все условные рефлексы исчезли и восстанавливались медленно. Наконец, у собаки-флегматика после перерыва условные рефлексы практически не изменились.
Чем определяется тип ВНД с современной точки зрения? К сожалению, стройная схема, изложенная выше, с трудом может быть «наложена» на реальную сложность химической, структурной и информационной организации мозговых процессов. Даже если нервные системы относятся к одному типу, истоки их типологической специфичности могут иметь весьма разные причины. Тем не менее можно выделить три основных группы причин: активность различных нейромедиаторных и гормональных систем; особенности взаимоотношений и взаимодействий структурно-функциональных блоков мозга; специфика индивидуального опыта особи.
Выше мы познакомились с основными категориями психотропных препаратов. Если вспомнить ситуации, при которых они применяются, нетрудно отчетливо представить связи между типологией ВНД и нейромедиаторными системами. В таком случае слабость нервных процессов может рассматриваться как следствие снижения активности моноаминергиче- ских систем мозга (норадреналина, дофамина, серотонина). Клиническими симптомами такого снижения являются различные проявления депрессии — состояния, при котором ослабевает стремление к получению положительного подкрепления, уменьшается исследовательская активность.
Другой вариант, при котором тип ВНД может быть охарактеризован как слабый, — это недостаточный уровень активности ГАМК-ергической системы. В такой ситуации мы наблюдаем слабость торможения, возбуждающие процессы «перехлестывают через край», но также очень быстро истощаются. На поведенческом уровне это проявляется, когда вслед за истерической атакой-нападением мгновенно следует паническое бегство.
В некоторых случаях признаки меланхолического темперамента могут быть вызваны недостатком в крови гормонов щитовидной железы, половых гормонов — соединений, от которых зависит общий уровень обмена веществ в нервной ткани. Однако избыток тех же гормонов способен хронически перевозбуждать нервную систему, приводя ее в состояние, близкое к запредельному торможению и провоцируя слабость нервных процессов.
Теперь обратимся к свойству неуравновешенности. Здесь в качестве возможных нейрохимических причин рассматриваются избыточная активность катехоламинергических систем, недостаточная активность системы ГАМК, нарушения в работе глутаматергической системы. В случае тяжелой психопатологии рекомендуется применение нейролептиков; в случае относительно легких отклонений — транквилизаторов.
Все перечисленное — лишь первый и наиболее очевидный слой нейрохимических механизмов, определяющих типологию ВНД. Его следующий, гораздо менее изученный уровень — пептидные медиаторы. Многие из них оказались прямо связаны с регуляцией проявлений тревожности, активностью других нейромедиаторных систем. В качестве примера вспомним различные фрагменты холецистокинина (более длинные из них обладают нейролептическими свойствами, более короткие индуцируют тревожность и страх), а также эндозепины (см. разд. 3.11). Несомненно, существуют и еще более тонкие молекулярные механизмы, определяющие тип нервной системы и связанные с базальной (врожденно заданной) активностью генов различных рецепторов, ферментов, транспортных белков. Изучение и анализ этих механизмов еще предстоит провести.
Обратимся теперь к структурно-функциональному уровню. Целостное поведение особи — это результат совместной деятельности многих областей ЦНС. Определяемый на основе этого поведения тип ВНД зависит от вклада каждого отдела, а также от влияния отделов друг на друга.
Рассмотрим уровень потребностей, соответствующий деятельности безусловно-рефлекторных систем мозга в наиболее сложных их проявлениях. Врожденно заданный уровень активности каждой такой системы — важнейший фактор, определяющий в итоге тип поведения. Действительно, исходно повышенная вероятность срабатывания центров пассивнооборонительных реакций даст «на выходе» проявления меланхолического темперамента. Для холерика приоритет имеют активно-оборонительные центры; для сангвиника — центры исследовательского поведения.
Правда, возникает вопрос: от чего зависит подобная врожденная установка уровня активности? Здесь вновь прослеживается влияние целого ряда факторов:
видоспецифические особенности строения и организации ЦНС; действительно, птенец хищной птицы, защищаясь от чужака, нападает («холерический темперамент»), а птенец рябчика очень натурально притворяется мертвым (реакция запредельного торможения);
индивидуальная наследственность особи; в этом случае прекрасной иллюстрацией служит то, что у «рабочих» пород собак наследуется не только экстерьер, но и темперамент; так, сеттеры и спаниели — явные сангвиники; сенбернары и водолазы (собаки-спасатели) — флегматики; для собак охранных пород важен элемент холерического темперамента;
индивидуальный онтогенез нервной системы, зависящий от действующих на мозг внутриорганизменных факторов; так, созревание многих зон ЦНС зависит от гормональных влияний; показано, что центры полового, родительского, исследовательского, пассивно- и активно-оборонительного поведения подвержены поэтапному «программированию» уровня активности со стороны половых гормонов; этот «гормональный импринтинг» происходит частично пренатально, частично — в раннем постнатальном периоде;
индивидуальный онтогенез нервной системы, зависящий от действующих на мозг внешних сигналов; имеется в виду, например, зависимость постнатального синаптогенеза от специфики и интенсивности сенсорной нагрузки.
Перейдем к третьей группе факторов, определяющих темперамент, — индивидуальному опыту особи. Чем сложнее мозг, чем больше он способен к ассоциативному обучению, тем больше вклад именно этой составляющей. Воспитание — индивидуальный опыт — может существенно откорректиро-
вать врожденную основу темперамента, ослабить сильные типы, усилить слабый тип.
На темперамент влияет присущая особи индивидуальная долговременная память. В разд. 4.5 мы рассмотрели ее неассоциативный вариант и теперь еще раз подчеркнем значение импринтинга (запечатления) как чрезвычайно прочного раннего типа обучения, обладающего рядом свойств врожденного поведения.
В случае ассоциативного обучения можно сказать, что чем большее число сформированных у особи условных рефлексов «опирается» на какой-либо безусловный рефлекс, тем больше поток активации, поступающий в соответствующие подкорковые центры. Следовательно, вероятность проявления именно этой врожденной формы поведения растет, что смещает типологические свойства особи. Если у щенка не вырабатывать ничего, кроме реакций, основанных на страхе, то в итоге даже исходно сильный тип будет вести себя как меланхолик. И напротив, если воспитывать очень аккуратно, не доводя ситуацию до запредельного торможения и нервных срывов, формируя реакции с положительным подкреплением, то даже у слабого типа будут наблюдаться все признаки усиления нервных процессов.
Охарактеризуем каждый тип ВНД применительно к человеку.
Холерик. Тип легковозбудимый, эмоциональный, общительный. Холерика отличает высокий уровень активности, энергичность действий, сильные и ярко выраженные эмоциональные переживания. Для него характерна несдержанность, вспыльчивость в конфликтных ситуациях.
Сангвиник. Тип спокойный, устойчивый, с хорошо развитым вниманием и работоспособностью, максимально высоким уровнем исследовательской активности. Он подвижен, общителен, быстро отзывается на события, легко переживает неудачи и неприятности.
Флегматик. Тип малоэмоциональный, малообщительный, малоподвижный, с хорошо развитым вниманием и работоспособностью. Его отличает низкий уровень поведенческой активности, он медлителен, спокоен, ровен. Характерно постоянство чувств и настроений. Процесс изменения привычек и навыков у флегматика затруднен.
Меланхолик. Тип легковозбудимый, малообщительный, неуверенный в себе. Отличается сниженным уровнем двигательной и речевой активности, эмоциональной ранимостью.
Склонен к глубоким внутренним переживаниям. Меланхоликам в наибольшей степени свойственны нестандартные ходы воображения и мышления, различные проявления творческих процессов.
Определение типа ВНД у человека подробно описано в специальной литературе и в простейшем случае может проводиться с помощью соответствующих тестов, но существуют и методики физиологического тестирования. В качестве примера приведем использование кожно-гальванической реакции (КГР). Данная реакция по механизму возникновения отражает активность потовых желез, управляемых симпатической нервной системой. Благодаря этому по КГР‘можно судить об уровне эмоциональной напряженности человека и субъективной значимости совершаемых им мыслительных процессов. Запись КГР обычно осуществляют с ладоней рук, где концентрация потовых желез максимальна (рис. 4.28, а).
В случае сангвиника (рис. 4.28, б) фоновая КГР отсутствует; в ответ на различные вопросы возникают четко приуроченные к этим вопросам реакции.
В случае холерика (рис. 4.28, в) возможно возникновение отдельных фоновых КГР; реакция на вопросы бурная, имеет большую продолжительность.
Для флегматиков (рис. 4.28, г) характерно отсутствие фоновой КГР и очень слабые реакции на вопросы (либо отсутствие этих реакций).
Для меланхоликов (рис. 4.28, д) характерны постоянные фоновые КГР; интенсивность потоотделения настолько велика, что даже на ощупь их ладонь может быть влажной и холодной.
Необходимо отметить также, что в «чистом» виде типы ВНД у конкретных индивидуумов встречаются, конечно, редко. Более обычны разнообразные сочетания свойств нервной системы.
4.9. СЛОЖНЫЕ ТИПЫ АССОЦИАТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ ЖИВОТНЫХ
Рефлексы на комплексный раздражитель, экстраполяционные рефлексы, рефлексы на отношение (см. разд. 4.4) — эти виды ассоциативного обучения, появившись на высокой стадии эволюции нервной системы, создали базу для качественного скачка в работе мозга. Конечным результатом такого скачка стало развитие системы речевой символизации действительности, которая составляет ключевой компонент высшей нервной деятельности человека.
Рассмотрим подробнее рефлекс на комплексный раздражитель. Формирование его идет по методике, сходной с выработкой дифференцировочного торможения, т. е. путем чередования подкрепляемых и неподкрепляемых исходно индифферентных стимулов. При этом подкрепляется комплекс из двух одновременно предъявляемых раздражителей и не подкрепляется каждый из раздражителей при раздельном действии. Например, вслед за комплексом, состоящим из включения лампочки и звонка, собаку кормят; вслед за включением только лампочки или только звонка — нет.
Легко понять, что в начале обучения реакция возникает на все стимулы — как на комплекс, так и на его компоненты. В основе этого — достаточно быстро формирующиеся временные связи между зрительным центром и корковым представительством безусловного рефлекса слюноотделения (КПБР); между слуховым центром и КПБР (рис. 4.29, а). В дальнейшем неподкрепление компонентов комплекса должно привести к условному торможению этих связей. Но в этом случае и реакция на комплекс должна заблокироваться. Между тем
Рис. 4.29. Этапы формирования условного рефлекса на комплексный раздражитель: а — образование временных связей между отдельными сенсорными центрами и КПБР; б — торможение этих связей и формирование ассоциативного центра, объединяющего сигналы от отдельных сенсорных зон; 1 — зрительный стимул; 2 — звуковой стимул
можно наблюдать, что она сохраняется. Как разрешить это противоречие?
Выход состоит в том, чтобы предположить в коре больших полушарий собаки наличие дополнительных обучающихся нейронов, устанавливающих связи одновременно с активируемыми сенсорными центрами и с КПБР. Такие нейроны должны обладать способностью объединять разномодальные сенсорные потоки, и, следовательно, можно ожидать, что они локализованы в ассоциативных областях коры. Многочисленные исследования показали, что это прежде всего ассоциативная теменная кора.
В результате выработки условного рефлекса на комплексный раздражитель происходит угашение прямых временных связей между сенсорными центрами и КПБР. Вместо них главную роль начинает играть «двухступенчатая» передача сенсорных сигналов: сначала в ассоциативную теменную кору, а затем, если оба компонента комплекса имели место, — в КПБР (рис. 4.29, б).
Само развитие ассоциативных зон коры в ходе эволюции мозга, например, млекопитающих происходит не сразу. У насекомоядных их еще нет; у ежей условный рефлекс на комплексный раздражитель не образуется вообще, вернее, либо есть реакция и на комплекс, и на компоненты, либо нет никакой реакции. У грызунов ассоциативные области очень слабы; у крысы с трудом образуется условный рефлекс на зритель-
но-тактильный комплекс и не образуется на зрительно-слуховой. У зайцеобразных (кролики) можно выработать только частичное угашение реакции на отдельные компоненты зрительно-слухового комплекса (в 50—60% случаев реакция все же проявляется).
Для хищных млекопитающих доказано наличие развитых ассоциативных лобных и теменных корковых зон. Условный рефлекс на комплексный раздражитель, описанный выше, вырабатывается у собаки достаточно быстро. Уже после 10— 15 предъявлений вероятность реакции на компоненты комплекса оказывается не более 10—30% и в дальнейшем постепенно уменьшается до нуля. В случае приматов выработка рефлексов идет еще быстрее, можно использовать трехкомпонентные комплексы.
В данном случае наблюдаем, как кора больших полушарий выполняет синтетическую функцию, т. е. производит объединение двух и более сенсорных потоков в сенсорный образ. Подобные задачи в большом количестве решаются и в рамках отдельных сенсорных систем. В некоторых случаях это происходит на базе врожденно заданных нейронных цепей (узнавание сложных видоспецифичных зрительных и слуховых коммуникативных сигналов — песен, ритуальных поз), но чаще является результатом обучения клеток сенсорных зон коры. В качестве примера можно привести нейрон слуховой системы, обучающийся реагировать на определенное слово, или нейрон зрительной системы, настроенный опознавать треугольники. Обучение таких нервных клеток идет по тому же принципу, что и выработка условных рефлексов на комплексный раздражитель, и мы узнаем треугольник, если видим три линии (компоненты комплекса), которые соединены определенным образом. Решение подобных задач в рамках одной сенсорной системы, по-видимому, является достаточно простым процессом. Принципиальным шагом вперед явилось формирование области именно с мультисенсорной (мультимодальной) интеграцией, а затем ее быстрое расширение в ходе эволюции приматов.
Рассмотрим теперь условный рефлекс на отношение. Как указывалось в разд. 4.6, он может считаться сложным вариантом дифференцировочного торможения, однако это не исчерпывает всех его особенностей. Как и в предыдущем случае, процедура формирования рефлекса на отношение включает одновременное действие на мозг двух стимулов, т. е. требует реализации сенсорного синтеза.
Выработаем, например, у собаки пищевой двигательный рефлекс прохода в дверцу, за которой находится кормушка. Затем усложним опыт, предоставляя животному на выбор две дверцы (рис. 4.30), — белую (объект 2) и серую (объект 2) (пищу будем прятать за серую). После нескольких предъявлений еще более усложним ситуацию и используем серую и черную дверцы (пища находится за черной). В дальнейшем будем чередовать варианты: белая плюс серая дверцы или серая плюс черная дверцы. В результате полностью обученная собака должна выбирать в каждом конкретном случае более темную из них. В этом и состоит суть рефлекса на отношение — мозг должен произвести сравнение двух сенсорных сигналов (образов) и выбрать один из них, исходя именно из этого сравнения, а не из абсолютной интенсивности или других первичных характеристик стимулов.
Проводимому сравнению должен предшествовать детальный анализ раздражителей. Аналитическая деятельность — первоочередная задача сенсорных систем, которые детально оценивают отдельные параметры реального объекта (в случае зрительной системы — размер, форму, яркость, объем, место в пространстве, скорость и направление движения). Если объектов несколько, возможно сравнение получаемых результа-
Рис. 4.30. Схема процессов, происходящих в коре больших полушарий при реализации условного рефлекса на отношение
тов по каждому из параметров. Проведение такого сравнения в более простых случаях относится к категории врожденных свойств сенсорных систем (например, реакция на наиболее освещенную часть поля зрения как на выход из норы, дупла и т. п). Однако легко представить появление «обучившихся» нейронов такого рода.
Понятно, что для обеспечения подобных операций необходимо наличие соответствующих корковых структур. Особенно сложные задачи приходится решать зрительной и слуховой системам, осуществляющим процедуры анализа и опознания таких сенсорных объектов, как голоса людей, выражения их лиц и т. п. С другой стороны, нервная система многих позвоночных вообще не обладает ресурсами для проведения подобной деятельности. В этом случае выработка рефлексов на отношение невозможна, а выработка дифференцировочного торможения может сводиться лишь к примитивным вариантам различения сигналов.
Вернемся к эксперименту с собакой (рис. 4.30). Как будет работать система сравнения в этом случае? Предъявляемые сенсорные стимулы (дверцы) совпадают по большинству свойств (размер, форма и др.). Отличие заключено лишь в яркости окраски и расположении (справа или слева от собаки). Однако расположение дверей в ходе обучения меняется в случайном порядке. В результате с подкреплением будет устойчиво связан только нейрон, оценивающий факт более темной окраски, он же окажется связан с центром запуска двигательной реакции. Направление движения будет определяться быстрым установлением нервной связи между «сравнивающим» нейроном и сенсорной зоной, обрабатывающей сигнал от более темной дверцы (показано пунктирной стрелкой). Далее произойдет активация всего «сенсорного образа» этой дверцы (локальная иррадиация возбуждения), вследствие чего в двигательные центры направится информация о месте дверцы в пространстве, и начавшееся движение приобретет четкую направленность.
Упомянутое «быстрое установление нервной связи» является одной из функций кратковременной памяти. В качестве возможных механизмов рассматриваются обсуждавшиеся в разд. 4.5 процессы суммации и долговременной потенциации.
Следующая ситуация — экстраполяционные рефлексы, в качестве примера выше приведена способность животного предугадывать направление движения кормушки, спрятанной за ширмой (см. рис. 4.12). В основе наблюдающегося при
этом явления переноса навыка лежит частичное сходство ситуации, в которую особь попала впервые, и ситуации, в которой ее поведение имеет характер хорошо отработанной поведенческой программы (рефлекса).
Пусть выработка рефлекса 1 проводилась в ситуации, для которой характерны присутствие сенсорных признаков А, В, С и D, а выработка сходного рефлекса 2 — в ситуации с наличием признаков Е, F,G и Н (рис. 4.31, а). Если теперь животное попадет в ситуацию, где присутствуют признаки А, В и Е, в коре больших полушарий будут одновременно активированы две рефлекторные системы. В таком случае итог (поведенческий ответ) будет зависеть от результатов конкуренции рефлексов. Поскольку же признаков, связанных с рефлексом 1, в среде больше, скорее всего, исходя из принципа доминанты, победит именно он.
Если в среде будут присутствовать, например, признаки С, D, G и Н, то задача выбора поведенческого ответа усложнится. В результате может возникнуть ситуация «нерешительности», когда никакая реакция вообще не возникает (рис. 4.31, б). Интересно, что в подобные моменты нередко наблюдаются отдельные движения, характерные для других, не имеющих прямого отношения к текущей деятельности рефлекторных систем, и связанные с грумингом или исследовательской активностью. Они получили название замещающих реакций (человеку свойственно чесать затылок, крутить в пальцах мелкие предметы и т. п.).
Если приблизить экспериментальную ситуацию к реальной, то ясно, что формирующийся навык (рефлекс) вовлекает в себя в качестве возможных запускающих факторов сотни сенсорных признаков. Их эффективное выделение предполагает наличие развитой аналитической деятельности сенсорных систем. Параллельно происходит формирование центров реагирования на сенсорные образы (как моно-, так и мультимодальные) — сенсорный синтез. В результате «настроенные» на сенсорные образы нейроны также формируют временные связи с двигательными центрами. Этот факт может играть важную роль при попадании в новую ситуацию, а общую последовательность происходящих процессов можно представить следующим образом:
происходит анализ сенсорной информации;
2)опознаются «знакомые сенсорные признаки», связанные с теми или иными возможными рефлекторными реакциями;
в)в)ЕЕНетНетНетНетНет НетНет НетЕстьЕстьЕстьЕстьрующих на образрующих на образДополнительнаяОбъединение активация от в сенсорный нейронов, реаги-ДополнительнаяОбъединение активация от в сенсорный нейронов, реаги-КонкуренцияКонкуренцияЗапускЗапускреакцииреакцииFFGGЕсть ЕстьЕсть Есть*/Рефлекс*/Рефлексобразобраз
в)
в)
Е
Е
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет Нет
Нет Нет
Есть
Есть
Есть
Есть
рующих на образ
рующих на образ
Дополнительная
Объединение активация от в сенсорный нейронов, реаги-
Дополнительная
Объединение активация от в сенсорный нейронов, реаги-
Конкуренция
Конкуренция
Запуск
Запуск
реакции
реакции
F
F
G
G
Есть Есть
Есть Есть
*/Рефлекс
*/Рефлекс
образ
образ
Рис. 4.31. Схема процессов, происходящих в коре больших полушарий при реализации экстраполяционных рефлексов
3)опознаются «знакомые сенсорные образы», также связанные с возможными рефлекторными реакциями;
выбор поведенческой реакции осуществляется по принципу доминанты, в результате чего побеждает реакция, условия запуска которой в большей мере соответствуют имеющейся ситуации (уровень активации на входе выше).
Если в нашем примере признаки С и D входят в состав сенсорного образа (совместно с признаками А и В), а признаки G и И не входят, то в итоге будет запущен рефлекс 1, поскольку его двигательный центр получит дополнительный поток акти-
СЛОЖНЫЕ ТИПЫ АССОЦИАТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ животных 275 вации (рис. 4.31, в). Возможна ситуация, когда входящие в состав сенсорного образа С и D «победят» даже влияние не связанных друг с другом признаков F,GhH. Иными словами, факт опознания образа для нервной системы часто более значим, чем факт опознания отдельных признаков.
Различные варианты экстраполяции и переноса навыков — это примеры, когда нервная система вынуждена делать выбор между возможными поведенческими реакциями. Принципы этого выбора связаны не только с поступающей извне информацией, но и с некоторыми другими существенными процессами, протекающими в нашем мозге (они будут рассмотрены в разд. 4.12).
Перейдем к цепному двигательному условному рефлексу. В этом случае у животного (собаки) сначала вырабатывается несколько пищевых двигательных условных рефлексов. Например, в ответ на звук колокольчика — нажать лапой на педаль, в ответ на щелчок пальцами — потянуть зубами за веревочку, в ответ на хлопок в ладоши — вскочить на тумбу. На втором этапе обучения эти три рефлекса день за днем повторяются в строго определенном порядке, причем стараются паузу между рефлексом на колокольчик, рефлексом на щелчок и рефлексом на хлопок делать как можно меньше. В результате поведение собаки в какой-то момент самопроизвольно изменится, и, услышав колокольчик, она выполнит подряд все три движения без дополнительных сигналов-команд. Что же произошло и за счет чего три отдельных рефлекса объединились в единый рефлекс-цепь?
Ситуации подобного рода подвергал анализу еще Сеченов, указывая на значение «мышечного чувства» — сигналов о завершении предыдущего движения. Используя терминологию ВНД, можно сказать, что в этом случае мы наблюдаем один из вариантов установления множественных временных связей в коре больших полушарий. Часть из них сформировалась между слуховыми и двигательными центрами еще на первом этапе обучения, а затем, когда мы стали уменьшать паузы между рефлексами, произошло следующее. Движение, составляющее суть первого рефлекса (нажатие на педаль), является следствием сокращения определенных мышц. Сигналы о производимых сокращениях по системе мышечной чувствительности передаются в ЦНС и достигают коры больших полушарий. В ее соответствующей зоне (область центральной борозды) возникает очаг возбуждения. Если в этот момент запустить второй рефлекс, его центры и центр мышечной чувствительности, ак-
тивированные нажатием на педаль, окажутся одновременно возбужденными. В итоге между ними произойдет установление ассоциации (дополнительной условной связи). То же будет происходить и в случае третьего рефлекса — с его центрами окажется связан центр мышечной чувствительности, реагирующий на сокращение жевательных мышц и мышц шеи (рис. 4.32).
Постепенное укрепление этих вновь образованных условных связей приведет к тому, что в какой-то момент их активации окажется достаточно для запуска следующего движения цепи. Тогда возбуждение из центра мышечной чувствительности 1 распространится в двигательный центр 2, затем в центр мышечной чувствительности 2 и, наконец, в двигательный центр 3. Цепной двигательный рефлекс будет сформирован. Что характерно для него?
Во-первых, в данном случае в нервной системе произошло самопроизвольное объединение нескольких условных рефлексов в определенную целостность, последовательность. Возникло нечто более сложное, чем отдельный рефлекс, — возник двигательный навык, или, иначе, двигательный стереотип.
Рис. 4.32. Схема процессов, происходящих в коре больших полушарий при формировании цепного двигательного рефлекса: I — условные связи, обеспечивающие реализацию отдельных двигательных реакций; II — связь, обеспечивающая активацию центров мышечной чувствительности; III — условные связи, обеспечивающие объединение рефлексов в цепь
Во-вторых, условные стимулы 2 и 3 утратили свое ключевое значение, и для запуска целостной поведенческой реакции они уже не нужны. События такого рода называют еще автоматизацией двигательных навыков (будучи запущена, цепь движений развивается уже без дополнительных внешних сигналов, как бы автоматически). В-третьих, если теперь проводить угашение отдельно взятого рефлекса на щелчок (второго в цепи), то окажется, что этот процесс идет труднее, чем обычно: рефлекс, включенный в стереотип, становится более прочным и стабильным, поскольку «поддерживается соседями» — развивающимися до него рефлексами и результатами их реализации.
Явления подобного рода описал и проанализировал в своих работах И. П. Павлов. Помещая день за днем животных в экспериментальную обстановку и воспроизводя у них одни и те же навыки, он и его сотрудники наблюдали образование у собак дополнительных условных связей, как бы соединяющих отдельные реакции. В результате формировалась целостная система рефлексов, по отношению к которой в дальнейшем использовался термин «динамический стереотип». В состав динамического стереотипа могут входить не только двигательные, но и вегетативные условные рефлексы, реакции условного торможения и т. п. Павлов описывал динамический стереотип как мозаику возбужденных и заторможенных центров коры больших полушарий, которая по ходу реализации стереотипа всякий раз меняет конфигурацию. При этом далеко не всегда наблюдается цепь реакций (как в случае двигательного стереотипа), но окончание N-ro рефлекса в любом случае создает состояние готовности к реализации (N + 1)-го рефлекса; причем центры последнего могут оказаться настолько возбуждены, что любого значимого сенсорного стимула может оказаться достаточно для запуска реакции.
Прибавка к термину «стереотип» понятия «динамический» означает возможность изменения, переделки стереотипа, но такие изменения (угашение рефлексов, замена их на другие, переделки сигнального значения раздражителей) в случае стереотипизации поведения идут с трудом. Они возможны в основном у животных с сильным уравновешенным типом ВНД. Слабые и неуравновешенные животные, во-первых, очень длительное время формируют динамические стереотипы, во-вторых, легко демонстрируют неврозоподобные состояния (различные варианты запредельного торможения)
при попытке их переделать. Павлов писал, что формирование и переделка динамических стереотипов — это ситуация, «субъективно связанная с эмоциями, чувствами». Эмоции эти часто могут носить негативный характер и приводят в экспериментах на животных к патологическим изменениям ВНД. Те же проблемы возникают у людей (особенно с возрастом) при смене привычных условий жизни, труда. Резкое разрушение динамического стереотипа под влиянием каких-либо критических ситуаций ведет к серьезным психологическим кризисам.
Понятие динамического стереотипа гораздо шире, чем понятие цепного двигательного рефлекса. В обычной жизни человека динамические стереотипы — это самые разнообразные привычки (такие явления, как «режим дня» и т. п.). С биологической точки зрения формирование динамических стереотипов — наиболее экономный способ управления поведением в стандартных ситуациях. При этом мозг тратит минимум энергии на обработку информации и поступает «как всегда». В результате нервная система сохраняет ресурсы для решения других задач, обладающих более высоким уровнем новизны.
Итак, мы рассмотрели ряд сложных проявлений ВНД животных. Анализу подверглись несколько вариантов аналитико-синтетической деятельности мозга, причем процесс синтеза в данном случае можно понимать очень широко: и как объединение сенсорных признаков в образ, и как объединение реакций в стереотип. В основе этих явлений лежит активность сложноорганизованной нервной системы, и мы можем наблюдать экстраполяционные рефлексы, динамические стереотипы и другие сходные феномены лишь на достаточно высоких уровнях эволюции, а во многих случаях — только у приматов.
Известно, что простые условные реакции формируются примерно с одинаковой скоростью у самых разных существ — рыб, рептилий, насекомых, моллюсков, птиц, млекопитающих различных отрядов. Следовательно, именно способность организма к выработке рассмотренных в данной главе рефлексов и стереотипов (наряду с разнообразными формами условного торможения) выступает истинным критерием уровня филогенеза ВНД и показателем ее эволюционного совершенства. Но главное состоит в том, что появление способности к нервным процессам такого уровня сложности создает предпосылки для развития на следующем шаге эволюции речевых сис-
тем, т. е. для формирования человеческого мозга с присущими только ему свойствами и особенностями высшей нервной деятельности.
ОСОБЕННОСТИ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.
ВТОРАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА
У человека и животных можно наблюдать много общих черт образования и функционирования рефлекторных комплексов, но у человека имеются особые свойства высшей нервной деятельности, связанные, по терминологии Павлова, со второй сигнальной системой.
Ч. Дарвин отмечал, что, хотя строение нашего тела несет следы происхождения от низшей формы, существует «огромная разница между умом самого примитивного человека и самого высшего животного». И. М. Сеченов в своей книге «Рефлексы головного мозга» писал о символизации окружающей действительности при помощи слов: «Человек думает с помощью образов, слов и различных ощущений, которые могут быть вне прямой связи с раздражителями, действующими в это время на его органы чувств». Это означает, что у человека существуют два пути получения полезной информации. Один из них — это непосредственное воздействие стимулов на сенсорные системы, второй путь — получение информации в виде словесных сигналов, источниками которых могут быть другие люди, книги, видеозаписи, а также собственный процесс мышления.
Павлов, разрабатывая теорию условных рефлексов, длительное время не занимался специально поведением человека. Однако после детального анализа ВНД животных стало возможным определить специфические черты высшей нервной деятельности человека, в результате чего сформулировано представление о двух сигнальных системах.
К первой сигнальной системе Павлов отнес все временные связи, образующиеся в результате совпадения реальных раздражителей с какой-либо деятельностью организма. В этом случае различные зрительные, слуховые, тактильные и прочие стимулы считаются сигналами скорого появления безусловных раздражителей — подкрепления. Ко второй сигнальной системе Павлов отнес все речевые временные связи, формирующиеся
в результате совпадения слов с действием непосредственных реальных раздражителей или с другими словами.
Таким образом, можно выделить три уровня ВНД человека:
уровень безусловных рефлексов и инстинктов, которые вызываются относительно немногими раздражителями; анатомической основой такой деятельности являются спинной мозг и большинство отделов головного мозга;
уровень условных рефлексов, вырабатываемых в ходе индивидуальной жизни на различные стимулы, которые служат сигналами о возможном появлении того или иного подкрепления; такие рефлексы замыкаются на уровне коры больших полушарий;
уровень словесной сигнализации, анатомическим субстратом которой являются ассоциативные зоны коры (лобная, теменная), а также ее высшие сенсорные и двигательные центры.
Первые два уровня характерны как для человека, так и для животных. Третий уровень в развитом виде существует только у человека; у животных можно наблюдать лишь отдельные элементы и даже в случае человекообразных обезьян относительно примитивные формы речевой деятельности.
Для человека слово — такой же реальный фактор, как и все остальные раздражители, влияющие на организм; слово обладает свойством заменять реальные безусловные и условные стимулы, выполняя функции как бы «сигнала сигналов» (отсюда — термин «вторая сигнальная система»). Кроме того, слова являются символами реальных раздражителей, которые, в свою очередь, являются сигналами о приближении подкрепления.
Эта особенность слов сделала их знаками, символами огромного количества раздражителей первой сигнальной системы. У взрослого человека вторая сигнальная система охватывает все производные от речи, вплоть до рисунков-символов, языка жестов и т. п.
Работая со второй сигнальной системой, Павлов и его последователи старались не слишком выходить за рамки обычных условно-рефлекторных методик. Например, у человека вырабатывался условный рефлекс на звонок с болевым подкреплением (слабый удар электрического тока) и регистрировался тонус сосудов руки. После нескольких предъявлений звонок вызывал изменение тонуса сосудов еще до удара током. Если затем вместо реального звонка произносили слово «звонок», то с первого же предъявления возникала реакция. С другим испытуемым
проводили обратную процедуру: вырабатывали рефлекс на слово «звонок». В итоге реальный звонок с первого же раза также вызывал реакцию. Эти эксперименты доказали возможность передачи возбуждения между второй и первой сигнальными системами, т. е. существование условных связей между их центрами. В дальнейшем было показано, что такие связи могут быть усилены либо заторможены с помощью условно-рефлекторных методик, что слово может выполнять функцию не только условного стимула, но и условного тормоза и т. д.
Проследим появление самых первых речевых центров (центров второй сигнальной системы) у ребенка. Обычно это происходит в ходе общения с родителями. Суть процесса состоит в установлении связи слов с теми или иными реальными объектами. Так, мама указывает ребенку на какой-либо объект — скажем, на игрушечного плюшевого зайца и произносит слово «зайчик». При повторных сочетаниях зрительного образа объекта и слухового образа слова устанавливается временная связь между соответствующими зрительными и слуховыми центрами. При этом в процесс образования связи вносит важнейший вклад ассоциативная теменная кора, нейроны которой начинают выполнять функцию речевых центров (рис. 4.33, а).
■ На следующем шаге обучения оказывается, что мама в качестве реальных объектов, обозначаемых словом «зайчик», может использовать самые разные предметы и изображения: например, пластмассового зайца другого размера и цвета, рисунок зайца в книге. Соответствующие зрительные центры окажутся связанными с речевым центром в ассоциативной теменной коре — возникнет целый веер условных связей (рис. 4.33, б), «точкой пересечения» которых будет признак, присущий всем известным ребенку «зайчикам». Этот признак скорее всего — наличие двух длинных ушей. Выделение подобных ключевых признаков — задача зрительной коры, причем наиболее эволюционно новых ее областей, где располагаются нейроны, способные обучиться реагировать на сложные зрительные образы. Данная процедура называется также зрительным обобщением. Нейроны, осуществляющие подобные функции, находятся на границе зрительной и ассоциативной теменной коры. После завершения процедуры зрительного обобщения временные связи между зрительными и речевым центрами приобретают вид, представленный на рис. 4.33, в.
Аналогичные процессы происходят и в слуховых зонах. Слуховой образ слова «зайчик» при каждом его предъявлении
Ассоциативная теменная кора с обучающимися нейронамиАссоциативная теменная кора с обучающимися нейронамиЗрительный образ игрушки - зайчикаЗрительный образ игрушки - зайчикаслова «зайчик»слова «зайчик»
Ассоциативная теменная кора с обучающимися нейронами
Ассоциативная теменная кора с обучающимися нейронами
Зрительный образ игрушки - зайчика
Зрительный образ игрушки - зайчика
слова «зайчик»
слова «зайчик»
Вариации слухового образа слова «зайчик»
Область, осуществляющая зрительное общениеОбласть, осуществляющая зрительное общениеОбласть, осуществляющая слуховое общение (зона Вернике)Область, осуществляющая слуховое общение (зона Вернике)Рис. 4.33. Этапы формирования речевого центра в ассоциативной теменной коре ребенка: 1 — слуховой нейрон; 2 — зрительный нейрон; 3 — ассоциативный нейрон; 4 — нейрон, осуществляющий слуховое обобщение; 5 — нейрон, осуществляющий зрительное обобщениеРис. 4.33. Этапы формирования речевого центра в ассоциативной теменной коре ребенка: 1 — слуховой нейрон; 2 — зрительный нейрон; 3 — ассоциативный нейрон; 4 — нейрон, осуществляющий слуховое обобщение; 5 — нейрон, осуществляющий зрительное обобщение
Область, осуществляющая зрительное общение
Область, осуществляющая зрительное общение
Область, осуществляющая слуховое общение (зона Вернике)
Область, осуществляющая слуховое общение (зона Вернике)
Рис. 4.33. Этапы формирования речевого центра в ассоциативной теменной коре ребенка: 1 — слуховой нейрон; 2 — зрительный нейрон; 3 — ассоциативный нейрон; 4 — нейрон, осуществляющий слуховое обобщение; 5 — нейрон, осуществляющий зрительное обобщение
Рис. 4.33. Этапы формирования речевого центра в ассоциативной теменной коре ребенка: 1 — слуховой нейрон; 2 — зрительный нейрон; 3 — ассоциативный нейрон; 4 — нейрон, осуществляющий слуховое обобщение; 5 — нейрон, осуществляющий зрительное обобщение
значительно варьирует в зависимости от громкости и тембра голоса, скорости произнесения. Следовательно, на втором этапе обучения произойдет формирование множественных временных связей между слуховыми центрами и речевым центром в ассоциативной коре (рис. 4.33, б). Завершится этот процесс осуществлением слухового обобщения. Выполняется эта процедура обучающимися нейронами зоны Вернике — области височной коры на границе с ассоциативной теменной корой (рис. 4.33, в).
Повреждение зоны Вернике ведет к нарушению восприятия речи на слух. Повреждение соответствующей области зрительной коры ведет к нарушению зрительного восприятия речи (чтение).
Итак, мы проследили становление единичного речевого центра. Подобные процессы происходят у детей в возрасте около года — в самом начале формирования второй сигнальной системы. Возникает вопрос: способен ли мозг животных к проведению подобных операций, и если да, то в каком масштабе?
Рассмотрим ситуацию сначала на примере собаки. Всякий, кто воспитывал щенков, сталкивался с их развитой способностью к восприятию человеческой речи, которая сформирована в ходе долгой селекции данного вида. В среднем у взрослой собаки мы наблюдаем различение нескольких десятков слов. Следовательно, можно сделать заключение о существовании процедуры слухового обобщения, что позволяет животному узнавать команду вне зависимости от того, кто конкретно и каким голосом ее отдает. Часть таких команд запускают двигательные реакции; в этом случае можно говорить о наличии связей между высшими слуховыми и моторными центрами. Однако часть команд обозначает вполне конкретные объекты. Например, команда «ищи палку» запускает поиск предмета, предназначенного для игры и имеющего ряд вполне конкретных сенсорных характеристик: удлиненную форму, достаточно большой размер и вес, запах дерева. В данном случае мы наблюдаем процедуры зрительного обобщения, а также мультисенсорно- го синтеза, причем последняя является функцией ассоциативной теменной коры, так же, как и ассоциирование нейронов, занимающихся слуховым и зрительным обобщением.
Наиболее интересные работы, посвященные исследованию способностей к речевой деятельности, выполнены на обезьянах. При этом исходно ставилась задача обучить животное не только понимать, но и произносить слова. Однако достаточно
быстро выяснилось, что уровень развития речедвигательного аппарата (голосовых связок и др.) человекообразных обезьян не позволяет этого, и вместо голосовой реакции в настоящее время используют другие способы передачи сигналов — язык жестов, язык предметов-иероглифов, язык символов, вводимых с клавиатуры компьютера. Показано, что в результате постоянного тренинга шимпанзе или горилла обучаются не только понимать несколько сот слов (слуховое обобщение), но и используют эти слова для выражения своих желаний, эмоций, строя фразы типа «Я хочу пить, дай мне воды» и т. п. Словарный запас в различных экспериментах мог достигать 200—300 и более единиц.
В итоге уровень «второсигнальной» активности обученной подобным образом обезьяны примерно соответствует уровню двухлетнего ребенка. Но если для обезьяны это предел, то для человека — только начальная стадия формирования речевых центров. Их количество очень быстро нарастает, и к трем годам словарный запас ребенка составляет примерно 2000 «символов», описывающих различные объекты, их признаки, производимые действия, а в дальнейшем — может увеличиться еще в несколько раз.
Таким образом, если сравнивать речевую деятельность человека и животных, то первое их отличие — количественное. Число речевых центров, формирующихся в теменной коре человека, в десятки и сотни раз больше, чем у собаки и даже человекообразной обезьяны. Этому способствует резкое увеличение размеров ассоциативных областей коры больших полушарий в ходе эволюции.
Есть и второе отличие — качественное, связанное с речевым обобщением. Определить его можно как процедуру освоения слов более высокого уровня, символизирующих целую группу других слов. Например, если у ребенка сформировать речевые центры, связанные со словами «зайчик», «машинка», «кукла», то все эти слова можно обобщить с помощью слова «игрушки». Эта процедура идет уже внутри речевых центров и является специфично человеческой. Ассоциативная теменная кора животных почти не способна к операциям такой сложности. Для человекообразных обезьян описаны лишь отдельные случаи такого общения (например, использование понятия «фрукты»).
Речевое обобщение может иметь несколько ступеней. Например, понятия «игрушки», «одежда», «книги» можно обобщить с помощью слова «предметы». Возможно и дальнейшее
поэтапное «поднятие» над конкретными свойствами реальных объектов, в результате чего формируются речевые центры, связанные с наиболее абстрактными философскими, физико-математическими и другими понятиями (рис. 4.34). Ж. Пиаже назвал этот этап развития второй сигнальной системы стадией формальных операций, указывая, что она обычно начинается в подростковом возрасте, требует от нервной системы очень больших усилий и ее проходят лишь примерно 50% людей.
Вернемся к трехлетнему возрасту. В этот момент количество сформировавшихся речевых центров и число связей между первой и второй сигнальными системами становится очень значительным. В результате оказывается, что усвоенные мозгом слова-символы достаточно полно описывают весь знакомый ребенку окружающий мир, значимые для него объекты, их признаки, а также различные действия. Таким образом, к трем годам формируется то, что принято называть «речевая модель внешнего мира». Ее нейрофизиологической основой является деятельность нейронов ассоциативной теменной коры.
Речевая модель мира — это не просто совокупность отдельных нервных центров второй сигнальной системы. Чрезвычайно важно то, что все эти центры оказываются связанными. Установление связей происходит при осуществлении речевого обобщения, а также по ходу обычных процессов формирования ассоциаций. В последнем случае имеются в виду стандартные ситуации, когда возбуждение двух и более нервных центров совпадает во времени. Если слова употребля-
Ассоциативная теменнаяАссоциативная теменнаяРис. 4.34. Схематичное представление процедур речевого общения и установления речевых ассоциаций в коре больших полушарий. Кружками отмечены речевые центры, соответствующие словам: 1 —«зайчик»; 2— «машинка»; 3— «кукла»; 4— «игрушки»; 5— «серенький»; 6 — «бегает»
Ассоциативная теменная
Ассоциативная теменная
ются вместе — между соответствующими речевыми центрами возникают связи. Так, «зайчик» оказывается связан с качеством «серенький» и действием «бегает» (рис. 4.34), а «апельсин» — с центрами «оранжевый», «вкусный», «едят». Используя терминологию Павлова, можно говорить о формировании динамических стереотипов на уровне второй сигнальной системы.
Вследствие всего этого речевая модель внешнего мира постепенно приобретает целостность и законченность. Начиная с какого-то уровня ее сложности можно наблюдать ситуации, когда возбуждение одного из речевых центров будет распространяться по «пространству» модели без затухания, активируя все новые и новые пункты и их совокупности, двигаясь по циклам и т. п. На субъективном уровне происходящее будет осознаваться как проговаривание «про себя» (в случае детей — часто вслух) некоторых слов, фраз, вытекающих друг из друга предложений, т. е. как процесс мышления.
Вербализация (отображение в речевой системе) внешнего мира является лишь одним из свойств данной модели. Второе и, видимо, основное ее назначение состоит в другом: речевая модель внешнего мира используется мозгом как «мир в миниатюре», слепок с окружающей действительности и своеобразное вычислительное приспособление. Оказывается, что, если «ввести» в модель некоторые исходные данные (например, сенсорную информацию), на выходе она способна осуществить прогноз успешности того или иного поведенческого акта. В простейшем случае этот прогноз делается с опорой на результаты многократного выполнения в прошлом той же деятельности в сходных условиях. Итоги такого прогнозирования могут учитываться ассоциативной лобной корой при выборе оптимальной программы поведения.
Процедура прогнозирования успешности той или иной деятельности и сопутствующие ей процессы мышления могут сопровождаться появлением достаточно ярких сенсорных «фантазий» (при иррадиации возбуждения из второй сигнальной системы в первую). Развивающееся при этом состояние может иногда принимать форму мечтательности, отрыва от реальности и приобретать для человека самостоятельную ценность, даже не завершаясь конкретными действиями.
Чем сложнее речевая модель внешнего мира, чем больше центров входит в ее состав и богаче связи между ними, тем точнее оказывается прогноз и выбор программы действий. Можно заключить, что появление второй сигнальной систе-
мы — это очередной шаг на пути совершенствования приобретенного поведения как совокупности реакций, «предвосхищающих» появление подкрепления. Как было показано выше, даже простейшие условные рефлексы являются способом, с помощью которого может быть достигнуто опережение существенных и жизненно важных изменений во внешней среде. Способность эта совершенствуется по мере эволюции мозга и развития сложных форм ассоциативной деятельности (рефлексы на отношение, на комплексы стимулов, экстраполяционные). Становление второй сигнальной системы и процессов мышления — высшая стадия этого процесса, приведшего к созданию научных теорий, сложнейших орудий труда, произведений высокого искусства — всего того, что мы подразумеваем под понятиями «творчество» и «воображение». -
Коснемся теперь эффекторной части второй сигнальной системы — речедвигательных центров мозга.
Возможность осуществления характерных для стандартной речи сложных голосовых реакций требует в качестве предпосылки наличия развитых голосовых связок. Это предполагает значимость голосовых реакций для внутривидовых (зоосоциальных) взаимодействий, например, в случае птиц, песни которых могут быть очень сложны. Особенно интересным является существование птиц-пересмешников, способных осваивать песни других видов. Происходит это на основе мощного врожденного звукоподражательного рефлекса (попугаи, врановые), реализуемого центрами вокализации и слуховыми центрами продолговатого мозга и моста (рис. 4.35).
Рис. 4.35. Основные компоненты речедвигательной системы человека и связи между ними: I — кора больших полушарий; II — продолговатый мозг, мостРис. 4.35. Основные компоненты речедвигательной системы человека и связи между ними: I — кора больших полушарий; II — продолговатый мозг, мост
Рис. 4.35. Основные компоненты речедвигательной системы человека и связи между ними: I — кора больших полушарий; II — продолговатый мозг, мост
Рис. 4.35. Основные компоненты речедвигательной системы человека и связи между ними: I — кора больших полушарий; II — продолговатый мозг, мост
Аналогичный рефлекс чрезвычайно характерен для младенца. При этом первыми попытками звукоподражания являются голосовые реакции на всякий достаточно громкий звук. Постепенно эти попытки приобретают форму произнесения отдельных простейших слогов (как правило, с гласной «а»: «ма», «па», «да»). Важнейшую роль играет здесь постоянное общение со взрослыми, задающими звуковой «эталон», которому пытается следовать ребенок.
Как правило, в возрасте 2—3 лет развитие у детей речедвигательных реакций заметно отстает от других составляющих второй сигнальной системы. Ребенок уже понимает сотни слов, а его речь все еще имеет «младенческую» форму и состоит из отдельных мало отличимых друг от друга слогов. Постепенно разнообразие этих слогов растет, они собираются в двух- и трехсложные слова, так же как собираются в цепь обычные двигательные реакции. Ключевое значение в описанном процессе имеет установление временных связей между ассоциативной теменной корой и главной речедвигательной областью — зоной Брока, находящейся в нижней части прецентральной извилины, т. е. в моторной коре больших полушарий (рис. 4.35). С развитием процессов мышления эти связи начинают постоянно проявлять себя; иррадиируя из ассоциативной теменной коры, возбуждение оказывается способным запускать голосовые реакции. В результате для ребенка в возрасте 3—4 лет характерно постоянное «звучание»— проговаривание мыслительных процессов, особенно в ходе игр и других ситуаций повышенной активности.
В этот момент окружающими взрослыми производится характерная коррекция деятельности речевых систем. Делая ребенку постоянные замечания вроде «не шуми», «помолчи», они постепенно блокируют связи ассоциативной теменной коры с зоной Брока путем «постановки» условного тормоза. Добиваясь в итоге успеха, мы, во-первых, теряем возможность следить за «игрой мысли» в мозге ребенка, а во-вторых, по-ви- димому, значительно ускоряем его мышление. Дело в том, что, пока все существенные второсигнальные процессы озвучиваются, пошаговое обращение к речедвигательным системам сильно замедляет мышление. Когда же этот компонент отброшен, ничто не мешает мыслительным процессам быстро двигаться по речевым центрам. В результате ребенок переходит к внутренней речи, выражающейся в проговаривании слов «внутри себя». Однако эта функция речедвигательных систем приобретенная, и если убрать условный тормоз (при-
сутствие кого-либо рядом), то в ситуации эмоционального возбуждения речь даже взрослого человека может возвращаться к «детскому типу» с проговариванием слов. Этот вариант имеет свои преимущества, так как позволяет более четко оформить мыслительные процессы.
Мышление принято разделять на абстрактно-логическое и образно-эмоциональное. Легко понять, что в первом случае возбуждение захватывает почти исключительно центры второй сигнальной системы, в том числе связанные с высокими уровнями речевого обобщения. Во втором случае возбуждение из речевых центров распространяется на центры первой сигнальной системы и может двигаться между ними, вызывая нередко близкие к реальности сенсорные переживания. Павлов называл такой тип мышления художественным.
Анатомически развитие речевых зон (Брока, Вернике, ассоциативных теменных) происходит преимущественно в левом полушарии человека, что, видимо, связано с доминированием правой руки при выполнении наиболее тонких движений. Именно левое полушарие связывают преимущественно с абстрактно-логическим мышлением. Образное мышление реализуется в первую очередь правым полушарием. Однако такое разделение функций, как оказалось, зависит от пола (более выражено у мужчин) и языковой среды — совокупности речевых отличий, характерных для какой-либо группы (нации, социума). У людей, выросших в среде, где речевая символизация идет на более образном уровне (иероглифы вместо букв и слогов), различие в функциях между правым и левым полушариями отсутствует. То же обычно наблюдается у левшей.
Подводя итоги, можно сказать, что первейшая задача речевых систем — это планирование поведения и прогнозирование его результатов. С этой точки зрения ассоциативная теменная кора может рассматриваться как своеобразный «сопроцессор», помогающий «командиру» нашего мозга — ассоциативной лобной коре организовывать целенаправленную деятельность. В экстренных ситуациях, когда «думать некогда», решение о запуске поведенческих реакций может приниматься и без участия мыслительных центров, но в обычных условиях человеку всегда советуют «сначала подумать, а потом делать».
Речевые системы выполняют и еще одну важнейшую функцию. Появившись в ходе эволюции как выражение различных эмоциональных состояний, голосовые реакции человека постепенно и все в большей мере становились «сигнала-
ми сигналов». Благодаря этому стала возможной интенсивная передача информации и навыков от родителей потомству. Это в гигантской мере дополнило генетические механизмы передачи полезных приспособлений от поколения к поколению и чрезвычайно повысило адаптивные возможности человека.
ОНТОГЕНЕЗ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
Ранние стадии онтогенеза (процесса индивидуального развития) ребенка во многом аналогичны наблюдаемым у других млекопитающих. Начиная со второго года жизни все большее значение начинают приобретать процессы становления и развития второй сигнальной системы, специфические именно для человека. При этом формирование ВНД ребенка тесно связано с созреванием ассоциативных зон коры, которые у взрослого занимают примерно 2/3 всей поверхности больших полушарий.
Детеныши млекопитающих, как и птенцы птиц, делятся на два типа в зависимости от степени зрелости в момент появления на свет. Выводковый тип — это вполне сформировавшиеся, покрытые шерстью детеныши, зрячие, способные следовать за матерью. Гнездовой тип — это детеныши голые, слепые, глухие, в течение нескольких недель после рождения находящиеся в убежище (гнезде, норе). Ребенок с этой точки зрения занимает промежуточное положение. Приматы не строят постоянных гнезд, и родившая самка переносит детеныша на себе — отсюда наличие у младенца хватательного безусловного рефлекса. Ему присущи также безусловные реакции: сосательный рефлекс на раздражение слизистой рта и кожи вокруг рта; мигательный рефлекс; защитные движения рук при щекотании слизистой носа и наружного слухового прохода; реакции на боль и изменение температуры (особенно чувствительно лицо) и др.
В момент появления на свет уже хорошо функционирует вкусовая система: сладкое вызывает пищевое поведение, а кислое, соленое и горькое отвергаются. Слуховая система также в основном сформирована. У новорожденного может быть получена реакция вздрагивания на звук, он различает звуки, разные по высоте на октаву, определяет пространственную локализацию источника звука. Зрительная система функционирует пока плохо, что определяется нескоординированными движениями глаз, в связи с чем ребенок не может фиксиро-
вать взор на предметах. Механизм фиксации созревает лишь к 2—3 месяцам, и в это время уже можно наблюдать типичный ориентировочный рефлекс: поворот глаз и головы к источнику света.
Наиболее ранние условные рефлексы новорожденного формируются на уровне первой сигнальной системы в ответ на пищевое подкрепление. Так, при поддержании точного режима кормления (каждые 4 часа) уже на вторую неделю ребенок начинает сам просыпаться перед кормлением (условный рефлекс на время). При этом достаточно взять его на руки, как возникают сосательные движения — проявляется условный рефлекс на положение для кормления.
Начиная с 5—6 недель возможно образование двигательных пищевых и оборонительных условных рефлексов с использованием самых разных сенсорных систем — зрительной, слуховой, тактильной. Чем старше ребенок, тем быстрее идет обучение. При этом наблюдаются три последовательные стадии:
сильный ориентировочный рефлекс, неустойчивая условная реакция;
устойчивый условный рефлекс, включающий не только движения, но и значительные вегетативные реакции;
устойчивый условный рефлекс с минимальным проявлением вегетативных реакций.
Чем старше ребенок, тем более редуцированный вид имеют первые две стадии.
К возрасту 6 месяцев уже возможно определение типа ВНД ребенка. При этом четко выявляются три группы: легкая выработка как условных рефлексов, так и условного торможения (сильные, уравновешенные); легкая выработка условных рефлексов и плохая — условного торможения (сильные, неуравновешенные); плохая выработка условных рефлексов и практическая невозможность выработки условного торможения (слабый тип).
Комплекс образовавшихся к этому времени условных рефлексов уже формирует в нервной системе ребенка первые динамические стереотипы. Ключевое значение в них пока имеют реакции, запускаемые рецепторами, находящимися во внутренних органах (интерорецепторами), и большинство реакций, входящих в стереотипы, — вегетативные. Именно поэтому для ребенка первого года очень важен строгий режим дня, и он отрицательно реагирует на смену времени сна, кормления, прогулок. Изменения внешней обстановки, различные внешние воздействия для него пока менее значимы.
Существует мнение, что заложенные в этот период комплексы вегетативных рефлексов имеют огромное значение в течение всей дальнейшей жизни человека, от них зависит, насколько успешно нервная система будет управлять нашими внутренними органами. Это во многом определяет здоровье человека и его конечное долголетие.
К 8—9 месяцам значимость внешней среды для ребенка возрастает; для него становятся все более важны и интересны люди, которые за ним ухаживают, обстановка комнаты, где он растет, игрушки. В это же время (и даже раньше — начиная с 6 месяцев) появляются первые условные рефлексы на слова. Впрочем, если какую-то привычную для ребенка фразу сказать с другой интонацией, реакция на нее может не проявиться. Однако височная кора быстро развивается, идет ее интенсивное обучение, и к годовалому возрасту процедура слухового обобщения достигает уже достаточно высокого уровня совершенства. В это же время появляются первые речедвигательные реакции — произнесения слогов и простейших слов.
В возрасте до года ребенок еще слабо выделяет отдельные объекты из внешней среды. Он говорит «мама», но мамино платье и мамина кровать — это тоже «мама». С другой стороны, если мама изменит прическу, ребенок может ее не узнать. Первые слова — это всегда названия конкретных людей и предметов, и лишь позже слово превращается в сигнал, обозначающий совокупность предметов (различные варианты обобщения). Но это происходит в следующий возрастной период — на 2—3-м году жизни.
Чрезвычайно важным процессом, интенсивно идущим в первые 1,5—2 года жизни ребенка, является продолжающееся на структурном и клеточном уровнях созревание его ЦНС. Имеются в виду процессы синаптогенеза, а также прорастания и миелинизации аксонов. Хорошо известно, что закладка нервных клеток осуществляется еще в первые месяцы эмбрионального периода. После рождения (в постнатальном периоде) деления нейронов в подавляющем большинстве отделов мозга уже не происходит, но прорастание отростков и установление новых синаптических контактов (синаптогенез') возможны для нейронов в любое время.
В раннем постнатальном периоде синаптогенез особенно активен и, что чрезвычайно важно, направлен не только на дозревание мозга, но и на его адаптацию к условиям внешней среды. Если говорить конкретнее, интенсивность синаптоге-
неза в различных зонах ЦНС зависит от интенсивности проходящих через них потоков информации. Наиболее четко это показано для сенсорной коры больших полушарий. Концентрация синапсов в зрительной коре детеныша крысы, выросшего в условиях сенсорной депривации (одиночество, монотонно окрашенные стенки клетки), оказывается на 30—50 и более процентов ниже, чем у детеныша, выросшего в сенсорно обогащенной среде (наличие «игрушек» и разнообразие окружающей обстановки, общение с братьями и сестрами).
Для оптимальной интенсивности синаптогенеза в мозге ребенка также необходимы игрушки, постоянный контакт со взрослыми. Недостаток информации в этом возрасте может вызвать далеко идущие последствия (такие, как снижение скорости мышления и способностей к решению абстрактно-логических задач, творчеству). Опасность представляют также различные стрессовые воздействия, способные наложить значительный отпечаток не только на специфику ранних детских воспоминаний, но и на саму структуру созревающего мозга.
Особенно широкий поток информации поступает в мозг ребенка с момента обретения им подвижности, когда младенец начинает ползать, а затем ходить. При этом становится доступной масса новых объектов, руки освобождаются для манипуляций с предметами. На втором году жизни происходит смена доминирующих потребностей ребенка: если раньше для него главным было пищевое поведение, то теперь — исследовательское, подражательное и игровое. В этом возрасте сила и подвижность нервных процессов еще невелика, и поэтому переключение с одного вида деятельности на другой является сложной задачей. В поведении ребенка большую роль продолжают играть стереотипы — строгие «ритуалы» умывания, кормления, одевания, последовательность этапов игры, просто порядок слов в сказке или стихотворении. Изменения в поведении происходят на фоне еще не завершенного процесса прорастания аксонов и их миелинизации, что приводит к увеличению скорости проведения сигналов в ЦНС. Важнейшее последствие этого — ускорение двигательных реакций и улучшение моторной координации. Полностью миелинизация завершается только к 18—20 годам жизни.
Процессы накопления словарного запаса, развития речевого обобщения, формирования мышления, внутренней речи описаны в предыдущей главе.
Кратко охарактеризуем следующую стадию развития ВНД ребенка — возраст от 3 до 6 лет. Она отличается заметной неуравновешенностью процессов возбуждения и торможения. В результате этого общий уровень активации ЦНС часто избыточен, регистрируется повышенная двигательная активность и эмоциональность, при выработке условных рефлексов и навыков наблюдается много «лишних» движений, плохо формируются реакции условного торможения. Последнее выглядит как «неуправляемость» ребенка и может приводить к трудностям в его воспитании. В этом же возрасте ребенок начинает отделять себя от среды, стремится привлечь к себе внимание, самоутвердиться. Ближе к 6 годам (по мере дозревания тормозных нейрохимических систем) аффективные поведенческие проявления ослабевают, снижается активность манипулирования и вербальная активность, начинает преобладать внутренняя речь. Развившаяся способность к обобщению признаков позволяет начать обучение чтению и письму. Ребенок на основе предварительной словесной инструкции уже может управлять своим поведением.
Следующая стадия — 6—10 лет. Нервные процессы в этот период обычно характеризуются достаточной уравновешенностью, хорошо выражены все виды внутреннего торможения. Быстро развивается способность к тонким движениям пальцев, манипуляциям, но сила нервных процессов еще невелика, и утомление развивается довольно быстро. С этим связаны многие трудности, возникающие в начальной школе. Но в целом развитие мозга приближается к уровню взрослого человека.
Первый подростковый период — 11 —13 лет у девочек, 13—15 лет у мальчиков. При половом созревании под влиянием резко возросшего уровня половых гормонов возбудимость нервной системы значительно повышается и ослабевают процессы торможения: ухудшается работа ГАМК-ергической системы мозга. Это приводит к раздражительности, легкой утомляемости, расстройствам сна. Замедляется речь, ухудшаются процессы условного торможения, увеличиваются латентные периоды сенсомоторных реакций.
Второй подростковый период — 13—15 лет у девочек, 15— 17 лет у мальчиков. Это наиболее критическая стадия. В этот период скачки концентрации половых гормонов настолько велики, что в результате страдают не только тормозные, но и возбуждающие системы мозга. Отсюда — эмоциональная неуравновешенность, обидчивость, негативизм, однако в результате ЦНС приспосабливается существовать в условиях высо-
кой активности половых желез, и постепенно начинает улучшаться условно-рефлекторная деятельность, память. После 17—18 лет мозг практически готов к взрослому уровню нагрузок.
Обратная ситуация наблюдается после 45—55 лет, когда происходит ослабление функций половых желез (климакс). Нервные клетки, лишенные привычного гормонального фона, вновь ухудшают качество своей деятельности, нарушается баланс возбуждения и торможения. Более серьезной эта проблема является для женщин, у которых выключение продукции половых гормонов происходит резко. По этой причине могут развиться изменения в поведении, сходные с наблюдаемыми в подростковом возрасте. Для облегчения такого перехода рекомендуется применять замещающую гормональную терапию.
В постклимактерическом периоде равновесие возбуждающих и тормозных процессов вновь восстанавливается. Если человек к этому моменту сохранил физическое здоровье, период жизни после 60 лет может оказаться очень продуктивным в творческом отношении — к этому моменту накоплен значительный жизненный опыт и «есть чем поделиться». Многие великие произведения искусства, философские теории были созданы авторами именно в этом возрасте.
Наконец, момент завершения жизни. Как это ни печально, смерть — общий для всех живых существ финал процесса индивидуального развития. По мере совершенствования медицины причины смертности в масштабах человечества заметно изменяются. До XIX века включительно основным фактором были инфекционные заболевания. С победой над большинством из них в XX веке на первое место выдвинулись нарушения деятельности сердечно-сосудистой системы и рак. Сейчас очевидно, что их ранняя диагностика, интенсивное хирургическое лечение и фармакотерапия позволяют продлить жизнь человека в среднем на 15—20 лет и более. Однако возник новый барьер — нейродегенеративные заболевания.
Недавние открытия «генов клеточной смерти» показывают, что существует врожденно запрограммированный механизм гибели нашего организма, который внешне выглядит как включение в некоторый критический момент определенных биохимических реакций и процессов, выводящих клетку из строя. Именно изменения, происходящие на уровне генов и ферментов, лежат в основе различных нейродегенераций. Наиболее значимыми (по количеству больных) из них являются болезнь Паркинсона и старческая деменция.
Особенности болезни Паркинсона обсуждались в разд. 3.8. Ее причиной является избирательная дегенерация клеток черной субстанции, приводящая к прогрессирующим нарушениям двигательных функций. Старческая деменция (болезнь Альцгеймера) — еще более серьезная и опасная патология. Число страдающих ею во всем мире измеряется миллионами. Суть происходящих изменений — в нарушении строения мембран нервных клеток и накоплении в нейронах особых патогенных белков бета-амилоидов, в результате чего страдают процессы передачи информации в мозге и происходит нарастающая гибель нейронов. У больного наблюдается общая деградация ВНД, затрагивающая сначала самые тонкие психические функции (структуру личности, творческие способности), а затем распространяющаяся на память, планирование поведения, вплоть до базовых программ поддержания гомеостаза. Процесс занимает обычно 3—5 лет, заканчиваясь смертью. В настоящее время на борьбу со старческой деменцией направлены огромные силы и средства, но успехи, в силу сложности патологических процессов, лежащих в ее основе, назвать значительными пока нельзя.
Заканчивая данную главу, хотелось бы еще раз подчеркнуть характерную черту большинства «кризисных» по отношению к ВНД ситуаций, наблюдаемых в ходе онтогенеза человека: это относительная слабость тормозных (ГАМК-ергиче- ских) процессов по сравнению с возбудительными. Чем бы ни был вызван тот или иной кризис — незрелостью мозга, скачками гормональной активности, стрессом и переутомлением, заболеваниями — в качестве его первых признаков (симптомов) мы наблюдаем ухудшение работы наиболее тонких нервных механизмов (обучения, внимания, памяти) вследствие нарушения баланса возбуждения и торможения. Разумная коррекция этого баланса с помощью ноотропов, витаминоподобных препаратов, антидепрессантов позволяет нервной системе с «минимальными потерями» пережить опасный период и вновь вернуться к уравновешенному работоспособному состоянию.
СИСТЕМА ПОТРЕБНОСТЕЙ, МОТИВАЦИЙ, ЭМОЦИЙ
Эмоции определяются психологами как субъективные реакции человека на внутренние и внешние раздражения, проявляющиеся в виде удовольствия или неудовольствия, страха, гнева, тоски, радости, надежды. Все эти чувства сопровожда-
ют эмоциональные реакции: улыбка, смех, плач, особенности речи, импульсивные движения или полная неподвижность. Каждой эмоции соответствует специфическая мимика, особое выражение глаз, поза, характерные жесты. Проявления таких реакций можно наблюдать и в животном мире. Как все феномены психической деятельности, эмоции являются следствием активности определенных центров головного мозга.
Нормальная жизнедеятельность человека как индивидуума и как вида возможна лишь при выполнении достаточно большого количества условий. Так, в организм должен поступать целый ряд веществ (пища, вода, кислород), а из организма должны выводиться продукты обмена; для сохранения вида необходимо успешно реализовать процессы размножения; для сохранения жизни нужно избегать опасных ситуаций. Перечисленные условия входят в имеющийся у человека набор биологически важных потребностей. Потребность в таком случае можно определить как особое состояние, возникающее при отсутствии (нехватке) факторов, необходимых для нормального существования. Потребность может также рассматриваться как зависимость организма от некоторых условий внешней и внутренней среды.
Перечень биологически важных потребностей практически совпадает с перечнем безусловных рефлексов. Действительно, эти понятия (потребности и безусловные рефлексы) очень близки. Фактически каждой потребности соответствует необходимый для ее удовлетворения комплекс врожденных поведенческих реакций. Следовательно (см. разд. 4.3), можно вполне обоснованно говорить о витальных потребностях, зоо- социальных потребностях и т. д.
Анатомические центры потребностей и безусловных рефлексов также совпадают. Наиболее сложно функционирующие из них расположены в гипоталамусе. Здесь находятся нейроны, получающие информацию как из внешнего мира (зрительные, болевые, тактильные сигналы), так и из внутренней среды организма (концентрация в крови глюкозы, солей, гормонов). Используя эту информацию, гипоталамус управляет деятельностью эндокринных желез и вегетативной нервной системы, являясь основным центром поддержания гомеостаза. С поддержанием гомеостаза в значительной мере связано и функционирование центров различных потребностей. Расположение основных из них в настоящее время определено, причем оказалось, что во многих случаях такие цент-
ры разделены на под центры, связанные с включением и выключением соответствующей потребности.
Наиболее характерным примером могут служить зоны, связанные с пищевым безусловно-рефлекторным поведением, — центры голода и насыщения. Они расположены в средней части гипоталамуса — сером бугре. При этом центры голода локализованы более латерально, центры насыщения — более вентромедиально (рис. 4.36). При электрической стимуляции центра голода даже очень сытое животное начинает есть; раздражение центра насыщения приводит к отказу от пищи. В клинике описаны нарушения деятельности центров голода и насыщения, вызванные микроинсультами (разрывы мелких кровеносных сосудов, в результате которых разрушаются окружающие нервные клетки). Повреждение центра голода приводит к потере пищевой потребности и истощению (дистрофии); повреждение центра насыщения — к постоянному резкому чувству голода, булимии (обжорству) и патологическому ожирению.
Большую часть времени центр голода тормозится центром насыщения, но при понижении уровня глюкозы и инсулина в крови, что происходит через несколько часов после приема пищи, его нейроны активируются. В результате на субъективном уровне возникает чувство голода; на поведенческом — может развиться пищевая мотивация, запускаются реакции, направленные на поиск пищи. После еды концентрация глюкозы и инсулина в крови увеличивается, и теперь уже активируются нейроны центра насыщения.
Аналогично сосуществуют центры жажды и центры водного насыщения. Найдено два центра жажды. Первый находится
Рис. 4.36. Схема поперечного разреза гипоталамуса крысы:
1 — центр голода; 2 — центр насыщения; 3 — нижняя поверхность гипоталамуса; 4 — третий желудочек; 5 — нижняя поверхность полушария конечного мозга; 6 — таламус
позади центра голода и реагирует на экстраклеточное содержание солей (ионов Na+ и СГ). Второй расположен в переднем гипоталамусе (преоптическая зона). Он оценивает внутриклеточное содержание солей и включается при значительной потере жидкости, запуская состояние «мучительной жажды». Помимо запуска питьевой потребности, центры жажды регулируют выделение гормона вазопрессина (обеспечивает повышение концентрации выводимой из организма мочи и экономию воды).
Центры полового поведения (половой потребности) расположены во внутренних (медиальных) зонах переднего гипоталамуса. Их активность определяется уровнем половых гормонов. При этом специфика формирования мозга млекопитающих (в том числе и человека) такова, что гипоталамус каждой особи содержит программы полового поведения как по мужскому, так и по женскому типу. Конечная «установка» таких программ определяется уже упоминавшимся процессом гормонального импринтинга. При этом исходно оказывается включен женский тип полового поведения. Действие андрогенов на ряде стадий эмбрионального развития является необходимым условием нормального созревания головного мозга самцов. При этом происходит торможение «женских» центров и включает адекватный тип полового поведения.
В переднем гипоталамусе находятся, кроме того, центры родительского поведения, также подверженные гормональному контролю. У большинства видов позвоночных они более активны у самок. Хотя, как и в случае полового поведения, мозг самцов содержит все соответствующие поведенческие программы (рефлекторные дуги). Это можно доказать путем электростимуляции центров родительской потребности. В таком случае компоненты родительского поведения проявляются у самцов даже тех видов, которые никогда прямо не участвуют в выращивании потомства (например, петух демонстрирует реакцию насиживания яиц). Отметим, что в случае родительского и полового поведения полноценная активация соответствующих центров возможна лишь при наличии определенных сенсорных раздражителей, которые нередко являются импринтируемыми признаками детеныша (возможного полового партнера).
Функционирование центров страха и агрессии связано с оборонительным поведением. Его цель — уйти от контакта с опасным (причиняющим боль) или потенциально опасным объектом. В этом случае можно говорить о потребности в без-
опасности. Центры страха (пассивно-оборонительного поведения) и центры агрессии (активно-оборонительного поведения) находятся хотя и в близких, но разных зонах заднего гипоталамуса. При стимуляции первых наблюдаются реакции затаивания, панического бегства; при стимуляции вторых — реакции, которые можно оценивать как ярость, готовность к нападению.
Центры исследовательского поведения многочисленны. Наиболее древние из них связаны со средним мозгом; более новые — с базальными ганглиями и субталамусом. Во всех случаях в основе запускаемых поведенческих реакций (ориентировочной, поисковой) лежит потребность мозга в новой информации.
Удовлетворение той или иной потребности сопровождается потоком специфических сенсорных сигналов, направляющихся в гипоталамус. Сигналы эти свидетельствуют о получении подкрепления (например, пищи), т. е. о том, что деятельность прошла успешно. Морфофункциональная организация гипоталамуса такова, что нервное возбуждение в этом случае захватывает не только центры соответствующей потребности, но и распространяется на особую зону в медиальной части серого бугра — центр положительного подкрепления (ПолП). Если информация о получении подкрепления отсутствует, то сигналы из «неудовлетворенных» центров потребностей передаются в центр отрицательного подкрепления (ОтрП), расположенный в медиальной части заднего гипоталамуса (рис. 4.37).
О роли этих центров в организации поведения уже не раз говорилось выше. Активность центра ПолП — обязательное условие ассоциативного обучения и замыкания временных связей. На субъективном уровне мы осознаем его деятельность как положительные эмоции. Активность центра ОтрП обеспечивает формирование условного торможения. На субъективном уровне мы осознаем его деятельность как отрицательные эмоции. При этом сигналы от центров ПолП и ОтрП на кору больших полушарий распространяются посредством, прежде всего, моноаминергических проекций: через аксоны стволовых норадренергических нейронов, дофаминергических клеток покрышки, серотонинергических клеток ядер шва.
Особую специфику имеют отношения центров ПолП и ОтрП с центрами страха и агрессии. Бездеятельное состояние последних имеет положительную эмоциональную окраску («чувство безопасности»). Появление болевых и прочих сти-
Рис. 4.37. Центры положительного и отрицательного подкрепления, их связи с центрами различных потребностей и значение в организации поведения: / — удовлетворенность; // — неудовлетворенность; III — чувство безопасности; IV — чувство страха
мулов, запускающих оборонительное поведение, активирует центр ОтрП и сопровождается отрицательными эмоциями. В этом случае получение «адекватных», генетически предопределенных сенсорных раздражителей субъективно неприятно (отсюдатермин «отрицательное подкрепление»).
Деятельность центров ПолП и ОтрП может быть продемонстрирована в экспериментах с самостимуляцией. В этих опытах крысу с электродами, вживленными в медиальный гипоталамус, помещают в экспериментальную камеру (рис. 4.38). В камере есть педаль, нажимая на которую можно замкнуть электрическую цепь, что приводит к стимуляции центров подкрепления. Если электрод находится в центре ПолП, то животное прекращает всякую деятельность, кроме нажатий на педаль, т. е. занимается самостимуляцией нередко до полного истощения (отсюда еще одно название центра ПолП — «центр наслаждения»). И наоборот, если электрод расположен в центре ОтрП, крыса, единожды нажав на педаль, в дальнейшем будет ее избегать. Более того, стимуляция центра отрицательного подкрепления останавливает всякую деятельность, например агрессию (в связи с этим центр ОтрП называют еще «центр умиротворения»).
Центры положительного и отрицательного подкрепления находятся в отношениях взаимной конкуренции (частный случай проявления принципа доминанты). При постоянной («застойной») активации центра ОтрП сам факт снижения ее уровня уже вызовет возбуждение центра ПолП и положительные эмоции. В случае «сброса» длительных положительных эмоций эффект обратный. Важно также то, что отношения центров ПолП и ОтрП регулируются с помощью опиоидерги- ческой системы мозга — энкефалинов и эндорфинов. Именно поэтому агонисты опиоидных рецепторов (в том числе морфин и морфиноподобные препараты) способны вызывать резкое усиление положительных эмоций (вплоть до глубокой эйфории).
В рамках рассматриваемой системы гипоталамус определяет уровень неудовлетворенности различных биологически значимых потребностей организма и создает как бы «меню» потребностей. Под «меню» мы будем понимать список некоторых функций, одна из которых может выбираться и приниматься к исполнению. Действительно, организм не может направить свою деятельность на удовлетворение всех потребностей одновременно, и нужно выбрать среди них главную, доминирующую, наиболее актуальную в настоящий момент.
Рис. 4.38. Обстановка эксперимента, в котором крыса может производить самостимуляцию различных гипоталамических центров (видны концы вживленных в мозг электродов, от которых отходят провода к электростимулятору)
Структуры, определяющие, какая из потребностей будет доминировать, многочисленны и относятся к лимбической системе, древним и старым областям коры. Однако ключевую роль среди них играет миндалина (миндалевидное ядро), лежащая в глубине височной доли больших полушарий и являющаяся частью базальных ганглиев. Именно ее рассматривают как главный «фильтр», который, принимая от центров различных потребностей сигналы, пропускает в кору больших полушарий лишь наиболее сильный из них — информацию о доминирующей потребности. Вторую функцию миндалины можно определить как смену доминант.
Поясним сказанное на примере гипотетической ситуации, представленной на рис. 4.39. Ограничим набор конкурирующих потребностей тремя — пищевой, половой и потребностью в безопасности. Пусть исходно уровень их неудовлетворенности составляет 50, 30 и 10 процентов. В таком случае «вычислительные центры» миндалины будут рассматривать как наиболее актуальную потребность в пище. Пропуская поток сигналов от центра голода и блокируя альтернативные потоки, миндалина осуществит выбор доминирующей в данный момент потребности — пищевой (рис. 4.39, а). Процедура такого выбора представляет собой повторяющийся с высокой частотой процесс. Это позволяет миндалине оперативно учитывать возникающие во внешней и внутренней среде изменения. Так, если появится источник болевых сигналов, то уровень активации оборонительных центров возрастет, например, до 70%. В результате при следующем «цикле вычислений» миндалина в качестве доминирующей выделит уже потребность в безопасности (рис. 4.39, б), переключив доминанту. С этого момента поведение особи будет направлено на избавление от боли. Когда это удастся сделать, потребность в безопасности снизится и вновь начнут доминировать пищевые центры.
Повреждение миндалины вызывает очень многообразные эффекты. Их специфика становится понятна, если учитывать только что описанную функцию данного отдела мозга. У пациентов начинает наблюдаться навязчивое доминирование какой-либо одной потребности; происходит резкое увеличение аппетита или агрессивности, сексуального влечения или тревожности. Причина этого заключается в ослаблении процесса выбора и смены доминант. В результате мозг подолгу «зависает» на определенной потребности (обычно наиболее характерной для типологии конкретного индивидуума).
Другое следствие развивающейся патологии — это то, что потребности, ранее редко себя проявлявшие, теперь не проявляются вовсе. Наблюдается огрубление, упрощение поведения человека (упрощение структуры его личности), особенно страдает сфера социальных потребностей, связанная с общением с другими людьми. Характерно, что сходные изменения наблюдаются, если повредить миндалину у самца — вожака стаи обезьян. Его поведение после этого заметно меняется, происходит перенос доминанты на витальные или половые потребности и прекращается борьба за статус вожака (более «тонкая» потребность выключается).
Пройдя миндалину, информация о доминирующей потребности достигает коры больших полушарий. В этот момент мы
Рис. 4.39. Схема участия миндалины в процедуре выбора доминирующей потребности и смене доминант. Выбор происходит в зависимости от уровня неудовлетворенности: а — доминирует пищевая потребность; б — доминирует потребность в безопасности; толщина стрелок отражает уровень неудовлетворенности потребности
можем говорить о превращении потребности в мотивацию. Мотивацию определяют как состояние преднастройки, готовности к действиям, связанным с удовлетворением потребности. Иными словами, если потребность весьма абстрактна и констатирует внутренний статус организма (что-то вроде «есть хочется...»), то мотивация конкретна и направлена во внешнюю среду («что бы такое съесть?»).
Момент формирования мотивации очень важен, поскольку заключается в активации условных рефлексов, навыков, ассоциаций, связанных с доминирующей потребностью. Пользуясь классической терминологией физиологии ВНД, можно сказать, что в это время возбуждение из коркового представительства безусловного рефлекса иррадиирует по временным связям в направлении центров условных раздражителей, приводя эти центры и связи в состояние повышенной готовности. По сути, идет включение соответствующих блоков памяти и в результате активируется «меню» поведенческих программ, реализация которых в принципе способна удовлетворить доминирующую потребность. Набор программ, извлеченных из памяти, зависит как от вида потребности, так и от предыдущего индивидуального опыта особи.
Попробуем разобраться, на основе каких принципов идет выбор из меню поведенческих программ. Конечная цель этой процедуры — запуск и реализация той программы, которая с максимальной вероятностью обеспечит достижение подкрепления. Осуществляется выбор поведенческих программ главным «командным центром» нашего мозга — ассоциативной лобной корой.
Одно из правил этого выбора уже рассмотрено в главе 4.9 при обсуждении экстраполяционых рефлексов. Его можно сформулировать как принцип максимального соответствия поведенческой программы условиям окружающей среды. Действительно, пусть программа 1 при обучении запускалась стимулами А, В и С; программа 2 — стимулами D, Е и F; программа 3 — стимулами G и Н (рис. 4.40). Все эти программы способны привести к удовлетворению некоторой потребности Z, и, следовательно, их центры активируются, когда данная потребность оказывается доминирующей. Если во внешней среде присутствуют стимулы A, D, Н и G, то можно сказать, что будет выбрана и запущена программа 3, так как ее центры будут активировать сразу два сенсорных входа (рис. 4.40, а).
Рис. 4.40. Схема работы лобной коры при выборе оптимальной программы поведения: а — с учетом только сенсорных сигналов; б— с учетом прочности нервных связей («коэффициент прочности» надписан над соответствующими связями)Рис. 4.40. Схема работы лобной коры при выборе оптимальной программы поведения: а — с учетом только сенсорных сигналов; б— с учетом прочности нервных связей («коэффициент прочности» надписан над соответствующими связями)б)б)ааллЕстьНетНетЕстьНетНетЕстьНетНетЕстьНетНетЕстьЕстьЕстьЕсть
Рис. 4.40. Схема работы лобной коры при выборе оптимальной программы поведения: а — с учетом только сенсорных сигналов; б— с учетом прочности нервных связей («коэффициент прочности» надписан над соответствующими связями)
Рис. 4.40. Схема работы лобной коры при выборе оптимальной программы поведения: а — с учетом только сенсорных сигналов; б— с учетом прочности нервных связей («коэффициент прочности» надписан над соответствующими связями)
б)
б)
а
а
л
л
Есть
Нет
Нет
Есть
Нет
Нет
Есть
Нет
Нет
Есть
Нет
Нет
Есть
Есть
Есть
Есть
Однако есть еще по меньшей мере один фактор, учитываемый лобной корой при выборе программы поведения, — индивидуальная память особи, ее предыдущий опыт использования поведенческих программ 1, 2 и 3. Действительно, если программа 1 в прошлом многократно реализовывалась, стабильно приводя к успеху, то входящие в ее состав временные связи очень прочны (примем, что их «коэффициент прочности» максимален и равен 1,0). Если программа 2 использовалась реже, то синапсы, на которых она реализована, еще не успели достичь максимальной эффективности (коэффициент 0,5). Если программа 3 в недавнем прошлом несколько раз не привела к успеху, то входящие в ее состав временные связи были подвергнуты частичному угасательному торможению (коэффициент 0,25).
Данные коэффициенты специалисты, занимающиеся компьютерным моделированием поведения и активности нейросетей, называют «весом нервных связей». Для окончательного выбора поведенческой программы ассоциативная лобная кора должна «перемножить» активность сенсорных входов на «вес» каждой программы (рис. 4.40, б). В таком случае лиде-
ром окажется программа 1, пусть менее соответствующая окружающим условиям, но наиболее стабильно приводящая к успеху (вспомним поговорку: «От добра добра не ищут»).
Рассмотренная ситуация очень упрощена, но она дает представление об основных процессах, осуществляемых ассоциативной лобной корой. Теперь, если вспомнить схему функциональной системы мозга (см. рис. 4.2), становится очевидным, что именно ассоциативная лобная кора более всего подходит на роль «блока принятия решений». Действительно, сюда сходятся сигналы из систем памяти, потребностей и мотиваций, а также сенсорных систем (после предварительной глубокой обработки, в том числе с участием ассоциативной теменной коры). Значительны связи и с моторной зоной больших полушарий, находящейся в непосредственной близости от ассоциативной лобной коры — в задней (прецентральной) части лобной доли. Характерные симптомы повреждения лобной коры описываются как потеря инициативы, нарушение планирования поведения, появление хаотичных, бессмысленных двигательных реакций. Причина этого — выбор неадекватных (по отношению к системе потребностей или сенсорным сигналам) программ поведения либо резкое ослабление самой процедуры выбора. В этом случае больной без обращенной к нему команды длительное время вообще не активен.
Вслед за запуском поведенческой программы должны последовать ее реализация и оценка полученных результатов. Реализация двигательных программ — специфическая функция моторных систем (прецентральной коры, мозжечка, базальных ганглиев, спинного мозга), и ее рассмотрение выходит за рамки данного пособия. На оценке успешности выполнения программы (результата действий) остановимся несколько подробнее.
Эта процедура настолько сложна, что также требует участия ассоциативной коры, а именно — поясной извилины, уже знакомой нам по кругу Папеца. Данная область, имеющая множество контактов со всеми зонами коры больших полушарий, рассматривается как место сравнения реальных и ожидаемых результатов деятельности и выработки корректирующих поведение сигналов.
Что такое «реальные результаты деятельности» понять несложно. Это информация о воспринятых и обработанных сенсорными системами изменениях во внешней и внутренней среде, которые возникли после выполнения очередного этапа поведенческой программы. В простейшем случае это сигналы от системы кожной и мышечной чувствительности (обсужда-
лись в главе 4.9 на примере цепного двигательного рефлекса), а также зрительные и слуховые раздражители.
Термин «ожидаемые результаты деятельности» требует более детальных комментариев. В данном случае мы имеем дело с памятью о последствиях предыдущих реализаций той же поведенческой программы. Действительно, если «блок принятия решений» выбрал для выполнения некоторую программу X, то это означает, что ранее она уже неоднократно приводила к успеху («вес» составляющих ее временных связей достаточно велик), и информация о реальных результатах ее реализации уже неоднократно поступала в кору больших полушарий. Совокупность активировавшихся при этом нервных центров и является основой памяти об «ожидаемых результатах». Более того, эта совокупность окажется (в силу одновременности возбуждения) соединена условными связями с двигательными
б)б)результатов»результатов»Программа XПрограмма X*- Результаты*- РезультатыОчередная реализацияОчередная реализацияОбласть совпаденияОбласть совпаденияАктивизация памяти об ожидаемых результатах (А)Активизация памяти об ожидаемых результатах (А)Оценка с помощью сенсорных системОценка с помощью сенсорных системРезультаты очередной реализации программы Х( А)Результаты очередной реализации программы Х( А)
б)
б)
результатов»
результатов»
Программа X
Программа X
*- Результаты
*- Результаты
Очередная реализация
Очередная реализация
Область совпадения
Область совпадения
Активизация памяти об ожидаемых результатах (А)
Активизация памяти об ожидаемых результатах (А)
Оценка с помощью сенсорных систем
Оценка с помощью сенсорных систем
Результаты очередной реализации программы Х( А)
Результаты очередной реализации программы Х( А)
Рис. 4.41. Схема работы поясной извилины при формировании памяти об «ожидаемых результатах деятельности» (а) и при сравнении реальных и ожидаемых результатов (б); связи отмечены пунктирными стрелками.
зонами, хранящими память о программе X (рис. 4.41, а). В итоге в момент ее запуска происходит опережающее включение центров, хранящих память о том, какая сенсорная информация должна поступить в мозг, если осуществляемая деятельность окажется успешной.
Поясная извилина, таким образом, сравнивает «рисунки» (паттерны) двух активированных зон коры: только что получившей сенсорную стимуляцию (реальные результаты деятельности) и хранящей память об ожидаемых результатах (рис. 4.41, б). В зависимости от степени совпадения (или несовпадения) этих паттернов вырабатываются корректирующие поведение сигналы. Совпадение (полное либо в достаточно хорошей степени) означает, что деятельность протекает успешно и смысла корректировать программу нет. При этом особый поток возбуждения направляется к гипоталамическому центру положительного подкрепления, и мы ощущаем положительные эмоции.
Несовпадение, напротив, означает, что деятельность скорее всего не приведет к успеху (получению подкрепления). В зависимости от степени несовпадения возможна либо коррекция текущей программы (усиление движений, обход появившегося на пути препятствия), либо ее полная смена (повторение лобной корой процедуры выбора из соответствующего «меню»). Одновременно происходит возбуждение центра отрицательного подкрепления, и мы испытываем отрицательные эмоции, специфика и интенсивность которых зависят от степени несовпадения ожидаемых и реальных результатов.
Конкретные нейрофизиологические механизмы производимого поясной извилиной сравнения остаются пока не ясны. По-видимому, они достаточно близки к уже описанным механизмам, характерным для рефлекса на отношение. Другая сходная процедура осуществляется центрами ориентировочной реакции. В этом случае также выявлены нейросети, сравнивающие параметры вновь поступивших сигналов с параметрами ранее действовавших стимулов. Ключевыми элементами этих сетей являются особые нервные клетки — «детекторы новизны» (по Е. Н. Соколову).
Деятельность поясной извилины особенно полезна в случаях, когда выполняемая поведенческая программа сложна и состоит из нескольких последовательных этапов. Принципы формирования таких программ рассматривались выше (на примере цепного двигательного рефлекса). В ходе их реализации чрезвычайно важно оценивать деятельность не только по
конечному получению или не получению подкрепления, но и по успешности выполнения отдельных звеньев. Тогда в случае, если результаты очередного этапа не будут совпадать с ожидаемыми, имеется возможность своевременной коррекции программы или ее замены; заведомо неэффективную программу можно не доводить до конца. С другой стороны, положительные эмоции, возникающие при успешном выполнении очередного этапа, поддерживают деятельное состояние мозга, выполняя роль своеобразного подкрепления. Лозунг «движение — все, цель — ничто» иллюстрирует значимость этого типа подкрепления для человека.
Итак, имеющиеся в настоящее время нейрофизиологические, нейроанатомические и нейропсихологические данные позволяют говорить о существовании двух основных групп эмоций. Относящиеся к первой из них можно назвать «быстрыми». Эти эмоции связаны с оценкой успешности текущей деятельности. В их основе лежит работа ассоциативной коры (поясной извилины) и ее связи с центрами положительного и отрицательного подкрепления гипоталамуса. Основная задача данного функционального блока — оперативная коррекция текущего поведения (выполняемых двигательных программ). Уровень «эмоционального сопровождения» такой деятельности очень индивидуален и мало выражен, например у флегматиков. Повреждения поясной извилины приводят, помимо нарушений поведения и памяти, к обедненности эмоциональной сферы.
Ко второй группе можно отнести «базовые» эмоции. Их появление и развитие обусловлено конечными результатами деятельности, т. е. удовлетворением или неудовлетворением потребности. Эти эмоции сопровождают длительные изменения уровня активности различных центров гипоталамуса и в первую очередь центров положительного и отрицательного подкрепления. Основная задача данной системы — влияние на процессы обучения и долговременную память. В результате происходит формирование новых ассоциаций либо их условное торможение. Иными словами, в зависимости от конечного успеха деятельности осуществляется уменьшение или увеличение значимости («веса») конкретной поведенческой программы и, следовательно, меняется вероятность ее последующего выбора блоком принятия решений.
Таким образом, с физиологической точки зрения эмоции на субъективном уровне отражают деятельность центров положительного и отрицательного подкрепления. Понятно и
разнообразие эмоций, поскольку их конкретная выраженность зависит не только от знака, но и от того, какая зона гипоталамуса (или другой части мозга) и с какой интенсивностью подействовала на центры подкрепления («потребност- ный фон»).
Так, получение новой информации вызывает положительные эмоции в силу активации центров исследовательского поведения («жить интересно»). Если же такой информации нет, поток активации к центру положительного подкрепления падает и активизируется центр отрицательного подкрепления (проблема скуки, особенно важная для сангвиников). Если новой информации слишком много, возникнут сложности с выбором адекватных поведенческих реакций. В итоге получаемые результаты перестанут совпадать с ожидаемыми и вновь станет более активным центр отрицательного подкрепления (состояние тревоги у меланхоликов, состояние раздраженности у холериков). Что до флегматиков, то у них «субъективно-эмоциональное» сопровождение поведения заметно снижено, что, однако, не отражается на качестве обучения. Малая подвижность нервных процессов, характерная для этого темперамента, может быть объяснена пониженной скоростью «вычислений» в двух описанных выше точках выбора — при определении доминирующей потребности и при определении оптимальной программы действий. Совершив выбор, «флегматичный мозг» с трудом меняет его; отсюда отмеченные еще Павловым проблемы со сменой вида деятельности.
Тем не менее рассматривать эмоции лишь как «шум», возникающий при функционировании систем подкрепления, было бы неверно. Во-первых, даже «быстрые» (не говоря уже о «базовых») эмоции, являясь дополнительными потоками активации, способны модулировать деятельность различных областей ЦНС. Их влияние прослеживается, например, в случае систем кратковременной памяти и внимания. Во-вторых, сопровождающие эмоции специфические вегетативные и поведенческие проявления (эмоциональные реакции) — важнейшее средство внутривидовой коммуникации животных и человека. В ходе эволюции они достигли у многих видов высокой степени совершенства и детализации, передаваясь как безусловные рефлексы. Их голосовой компонент может рассматриваться как прообраз речевых реакций.
Наконец, чрезвычайно важна и интересна связь эмоций и второй сигнальной системы. Как показано выше, одна из основных задач этой системы — формирование речевой модели
внешнего мира. Данная модель в ходе процессов мышления используется для прогнозирования результатов возможной деятельности. Процесс этот нередко сопровождается эмоциями.
Если наш мозг проводит оценку возможных последствий того или иного поведения, то сначала он выбирает саму программу деятельности (с которой связан определенный набор ожидаемых результатов). На следующем шаге центры второй сигнальной системы «накладывают» эту программу на речевую модель внешнего мира. На субъективном уровне это и воспринимается как процесс обдумывания. Наконец, полученные в итоге «вычислений» результаты сравниваются с ожидаемыми. Эта процедура осуществляется все той же поясной извилиной и приводит либо к продолжению программы (уже на реальном уровне), либо к выбору другой программы. И в том, и в другом случае возникают эмоции — положительные или отрицательные. Характерно, что последний шаг — реальный запуск программы происходит далеко не всегда. Но уже сама «просчитанная» возможность достижения того или иного подкрепления вызывает положительные эмоции (жизненная позиция «скупого рыцаря»).
Подобной стимуляцией эмоциональных центров занимаются и авторы художественных произведений, погружая читателя в построенные ими «модели мира». Наиболее интересен здесь феномен юмора. В этом случае для обдумывания предлагается ситуация, в которой существует «банальный» способ решения проблемы, но через какое-то время выявляется другой способ, гораздо более адекватный. Его осознание вызывает у нас всплеск положительных эмоций (своеобразный вариант самостимуляции, в наиболее явном виде осуществляемый с помощью коротких историй-анекдотов).
К эмоциям «высшей категории» можно отнести творческие переживания человека. Они возникают, например, как результат установления новых временных связей внутри второй сигнальной системы. Соединить ранее, казалось бы, независимые понятия, провести обобщение группы понятий новым термином — все это вызывает потоки активации, возбуждающие центры положительного подкрепления.
На этих чрезвычайно сложных проявлениях высшей нервной деятельности человека мы завершаем данный раздел. В заключение еще раз подчеркнем два момента. Во-первых, даже самые сложные психические процессы имеют под собой реальную биологическую базу. Это, конечно, не значит, что,
узнав все о физиологии мозга, мы сможем предсказывать психическую активность конкретного индивидуума, но даже общие представления о происходящих в ЦНС нервных процессах, характерных для них принципах и ограничениях весьма полезны всем, кто профессионально работает с людьми, особенно в областях психотерапии, психокоррекции, возрастной психологии.
Во-вторых, несмотря на роль врожденной и подсознательной (первая сигнальная система) сфер, гигантское значение в нашей жизни имеет именно речевая (вторая сигнальная) система. Возникая как надстройка над более простыми ассоциативными процессами, речевая модель внешнего мира включает в себя и все существенные характеристики деятельности самого мозга. В результате в модели отображается работа не только сенсорных и двигательных центров, но и систем потребностей, систем подкрепления. При этом над биологическими потребностями «надстраиваются» связанные с ними (иногда весьма скрытым образом) центры социальных, эстетических и других потребностей, приобретающие значительную самостоятельность. Логика процессов здесь, видимо, аналогична описанной для условных рефлексов второго порядка (см. разд. 4.4). Модифицируя центры второй сигнальной системы, манипулируя с ее связями, можно влиять на самые глубинные нервные процессы (например, методики нейролингвистического программирования).
Последний, «вечный» вопрос физиологии мозга. Что такое сознание? В свете всего сказанного мы можем определить этот феномен как субъективное (возникающее внутри самой ЦНС) отражение деятельности самого активного в данный момент центра коры больших полушарий. Если центр локализован в ассоциативной теменной зоне — мы мыслим, если в зрительной области — рассматриваем предмет, если в двигательной — реализуем произвольное движение. Это не значит, что остальные отделы мозга в это время «простаивают». Нет, они продолжают активно работать на подсознательном уровне. Сознание же в таком случае может играть роль особой, обладающей повышенной лабильностью доминанты, «подчеркивающей» на некоторое время те или иные ключевые для индивидуума процессы, играющей по отношению к ним роль источника нервной энергии.
5. ЭНДОКРИННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНДОКРИННОЙ СИСТЕМЫ
Особенностью многоклеточных животных является дифференцировка тканей, причем каждый вид тканей приспособлен к выполнению специализированных функций, что обеспечивает выживание организма и его адаптацию к непрерывно меняющимся условиям существования.
Для того чтобы из миллиардов клеток создать целостный, интегрированный организм, способный к самовосстановлению, самовоспроизведению и адаптации, необходима постоянно действующая система коммуникации между клетками. В ходе эволюционного процесса сформировались две такие системы: нервная и эндокринная. Нервная система, о которой подробно рассказывалось выше, структурирована, и аксоны нервных клеток образуют синаптические окончания в строго определенных местах организма. Эндокринная система использует для передачи сигналов от одних клеток к другим особые химические вещества — гормоны (от греч. hormao — пробуждать, активизировать). Гормоны — это специальные регулирующие вещества, вырабатываемые в одних тканях организма, транспортируемые с током крови к различным органам и воздействующие на их работу. Гормоны, несмотря на свое название, далеко не всегда «возбуждают» регулируемый ими орган, и характер их воздействия может очень сильно варьировать. Как известно, нервные импульсы распространяются по аксонам с большой скоростью, и для осуществления, например, коленного рефлекса необходимы доли секунды. В противоположность этому гормональная регуляция осу-
ществляется гораздо медленнее, и под ее контролем находятся те процессы нашего организма, которые требуют для регуляции минуты или часы. Передача информации при помощи гормонов может осуществляться в пределах организма на самые различные расстояния. Выделяют три основных вида гормональной регуляции (рис. 5.1): аутокринная I, когда гормон действует на те клетки, в которых он вырабатывается; паракринная II, когда гормон действует на близко расположенные клетки той же ткани, и эндокринная III, когда гормон разносится с током крови по всему организму и действует на различные его органы. Такое деление эффектов достаточно относительно, и во многих случаях один и тот же гормон может действовать и паракринно, и эндокринно.
Гормоны обычно образуются в особых секреторных клетках, которые или образуют компактные органы — железы, или расположены по одной или группами внутри органов. Секреторным клеткам свойственны некоторые морфологические особенности. Обычно синтез и «упаковка» гормонов происходит в одной части клетки, а их выброс в кровь — в другой. Чаще всего синтезируемые гормоны накапливаются в комплексе Гольджи — основном «складском помещении» клетки. Комплекс
Рис. 5.1. Передача информации при помощи гормонов: I — аутокринно; II — паракринно; III — эндокринно; 1 — регулируемые клетки; 2 — секреторные клетки; 3 — кровеносный сосуд
Гольджи представляет собой стопку плоских мешочков, стенки которых построены из мембран. По мере надобности гормоны упаковываются в маленькие секреторные пузырьки — гранулы, которые отпочковываются от комплекса Гольджи и передвигаются по цитоплазме к наружной мембране клетки, через которую гормон выбрасывается в кровь (рис. 5.2). Некоторые гормоны, например половые, видимо, не упаковываются в гранулы и выходят из секретирующей клетки в виде отдельных молекул. Выброс гормона в кровь происходит не постоянно, а только в том случае, когда к секретирующей клетке приходит специальный сигнал, под действием которого пузырьки высвобождают гормон во внеклеточную среду.
Однако в последние годы стало очевидно, что гормоны смогут выделяться не только из клеток специализированных эндокринных желез, но и из клеток многих других органов и тканей. Так, нейроны гипоталамуса способны вырабатывать целый набор гормональных факторов, таких, как либерины, статины и другие гормоны, клетки сердечной мышцы выделяют в кровь натрийдиуретический гормон, лимфоциты выделяют ряд гормонов — стимуляторов иммунитета, наконец, множество белковых гормонов синтезируется в слизистой оболочке кишечника.
Существует несколько подходов к определению тех критериев и свойств, которым должно отвечать вещество, претендующее на роль гормона. Перечислим главные из этих критериев.
Рис. 5.2. Секреция гормонов: 1 — ядро; 2 — кровеносный сосуд; 3 — секреторные гранулы; 4 — комплекс Гольджи; 5 — секреторная клетка
Гормон выделяется из живых клеток. Если какое-то вещество, обладающее значительным физиологическим эффектом, выделяется из мертвой разрушающейся клетки, его к гормонам относить нельзя.
Гормоны, как и любые физиологически активные вещества, обладают сильными эффектами и поэтому выделяются в очень малых количествах.
Гормон выделяется из клетки, не нарушая ее жизнедеятельности и целостности.
Гормон поступает в межклеточную жидкость и кровь непосредственно из секретирующих клеток, и эндокринные железы не имеют выводных протоков, как железы внешней секреции.
Гормон действует только на определенные органы-мишени, имеющие специальные рецепторы для взаимодействия с ним.
Гормон не является источником энергии и строительным материалом для нужд организма.
Эти критерии, предъявляемые к веществу-гормону, достаточно строгие, и на самом деле имеется ряд исключений, однако перечисленные критерии позволяют четко отличать гормоны от ферментов, витаминов и других веществ.
Гормоны можно классифицировать несколькими способами. Наиболее удобна классификация по характеру эффектов гормонов и по их химическому строению (табл. 5.1).
Регулирующие эффекты — это обратимое активирующее или тормозное действие на системы организма, осуществляющиеся постоянно в течение всей жизни. Программные, или детерминирующие, эффекты необратимы и осуществляются в определенные, относительно короткие периоды жизни, например в период полового созревания у человека. При этом гормон определяет кардинальную перестройку клеток, клетки меняют свою форму, функции и остаются такими на все дальнейшее время существования организма.
Пермиссивное действие гормонов заключается в том, что одни из них, не влияя на какой-то процесс другого гормона, резко усиливают его эффект. Например, гормон щитовидной железы — тироксин необходим для того, чтобы нормально развивались эффекты гормона роста. Даже из краткой таблицы видно, что гормоны воздействуют на все функции организма, а с другой стороны, один и тот же гормон может непосредственно воздействовать на несколько функций. Так, большая
Таблица 5.1 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЭФФЕКТОВ ГОРМОНОВ
Тип эффекта
Действие на организм
Примеры гормонов
Регулирующий
Сокращение мышц
Окситоцин,адреналин
Секреция различных желез
Либерины, статины, АКТГ, ТТГ и др.
Пигментация кожи
Мелатонин
Обмен углеводов, белков и жиров
Гормон роста, инсулин, тиреоидные гормоны, липотропин и др.
Водно-солевой обмен
Альдостерон, вазопрессин, кальцитонин, паратгормон и др.
Поведение
Гормоны половых желез (андрогены и эстрогены), эндорфины, ти- ролиберин, люлиберин, тиреоидные гормоны, адреналин и др.
Рост тела
Гормон роста, тиреоидные гормоны
Программный, или детерминирующий
Половое созревание
Гормоны гипоталамуса, некоторые гормоны гипофиза, гормоны половых желез
Высвобождение половых клеток
Лютеинизирующий гормон гипофиза
Пермиссивный
Рост и половое созревание
Тироксин усиливает действие гормона роста
часть гормонов способна прямо или опосредованно влиять на возбудимость и эмоции, изменяя поведение человека.
Так как передаваемая гормонами информация закодирована в строении их молекул, важно знать основные группы химических веществ, к которым гормоны относятся.
Первая группа— белково-пептидные гормоны, представляющие собой цепочки различной длины, состоящие из аминокислот. К ним относятся либерины и статины гипоталамуса, гормоны гипофиза, инсулин, натрийдиуретический гормон и некоторые другие.
Вторая группа — стероиды, представляющие собой производные холестерина. К ним относятся гормоны коры надпочечников, гормоны половых желез.
Третья группа — гормоны, производные отдельных аминокислот. Так, производными аминокислоты тирозина являются адреналин — гормон мозгового слоя надпочечников и гормоны щитовидной железы — тироксин и трийодтиронин. Гормон эпифиза мелатонин синтезируется из аминокислоты триптофана.
Четвертая группа — производные арахидоновой кислоты: простагландины и некоторые другие гормоны, о которых будет подробнее сказано ниже.
Несмотря на огромное различие в химическом строении, гормоны разных химических групп имеют много общего в организации функциональной структуры.
Так, в идеальном случае в молекуле гормона можно выделить адресный участок, или гаптон, отвечающий за прикрепление всей молекулы к месту специфического гормонального воздействия. Гаптон сам по себе никаким биологическим эффектом не обладает. Другой участок гормональной молекулы называется актоном. Именно актон вызывает физиологические эффекты гормона в клетке-мишени, но сам по себе без гаптона актон не может присоединяться к регулируемой клетке. И наконец, в состав гормональной молекулы может входить целый ряд участков, защищающих эту молекулу от воздействия разрушающих ферментов, усиливающих или ослабляющих гормональный эффект. Эти участки молекулы получили название акцессорных. Актон, гаптон и акцессорные участки могут быть расположены в различных участках гормональной молекулы (рис. 5.3, а), а могут и перекрывать друг друга (рис. 5.3, б).
Клетка-мишеньКлетка-мишеньРис. 5.3. Схема возможной функциональной организации молекул гормонов: а — актон в одном участке молекулы гормона; б — актон в двух участках молекулы гормона; 1 — защитный участок; 2 — гаптон; 3 — актон; 4 — усилитель; 5 — защитный участокРис. 5.3. Схема возможной функциональной организации молекул гормонов: а — актон в одном участке молекулы гормона; б — актон в двух участках молекулы гормона; 1 — защитный участок; 2 — гаптон; 3 — актон; 4 — усилитель; 5 — защитный участокКлетка-мишеньКлетка-мишень
Клетка-мишень
Клетка-мишень
Рис. 5.3. Схема возможной функциональной организации молекул гормонов: а — актон в одном участке молекулы гормона; б — актон в двух участках молекулы гормона; 1 — защитный участок; 2 — гаптон; 3 — актон; 4 — усилитель; 5 — защитный участок
Рис. 5.3. Схема возможной функциональной организации молекул гормонов: а — актон в одном участке молекулы гормона; б — актон в двух участках молекулы гормона; 1 — защитный участок; 2 — гаптон; 3 — актон; 4 — усилитель; 5 — защитный участок
Клетка-мишень
Клетка-мишень
Некоторые гормоны способны воздействовать на работу целого ряда клеток различных тканей. Другие — способны непосредственно воздействовать только на один вид клеток. Это различие определяется тем, что для взаимодействия гормона и клетки-мишени необходимо, чтобы в клетке находились специфические рецепторы, позволяющие считывать информацию, заложенную в этом гормоне. При взаимодействии гормона с рецептором образуется так называемый гормон-ре- цепторный комплекс, который и воздействует на работу клетки.
Таким образом, будет ли клетка взаимодействовать с гормоном и изменять под его влиянием свою физиологическую активность, определяется тем, имеются ли в этой клетке специфические рецепторы к этому гормону. Если рецепторы есть, клетка будет реагировать на гормон, если таких рецепторов нет, клетка не будет взаимодействовать с гормоном, даже если этого гормона в жидкости, омывающей клетку, очень много. Надо отметить, что гормональные рецепторы обладают колоссальной избирательностью по отношению к «своему» гормону, прекрасно различая его среди множества других, даже очень похожих на него молекул и взаимодействуя именно со «своим» гормоном, несмотря на то что концентрация гормонов в крови всегда очень и очень мала по сравнению с другими классами веществ. Существуют два принципиально различающихся механизма действия гормонов, в зависимости от того, где образуется гормон-рецепторный комплекс: на поверхности клеточной мембраны или внутри клетки.
Белково-пептидные гормоны (первая группа) состоят из цепочек аминокислот, их молекулы велики и, что очень важно, плохо растворяются в жирах, составляющих основу биологических мембран и мембран, которые окружают любую клетку: это аденокортикотропный гормон гипофиза, тиреотропный гормон, лютеинизирующий гормон, инсулин. Их действие развивается быстро — за минуты, но продолжается очень недолго. Обычно гормоны этой группы накапливаются в секретирующих клетках и быстро высвобождаются из них в случае необходимости. Проникнуть внутрь клетки через липидные слои мембраны такие молекулы не могут, и рецепторы к ним расположены на поверхности клетки. При таком виде рецепции .необходимо решить две задачи: во-первых, сигнал воздействия гормона нужно передать внутрь клетки и, во-вторых, усилить этот сигнал, чтобы достичь значительного изменения работы клетки. Разберем один из вариантов такого взаимодействия гормонов с клеткой (рис. 5.4, а). Каждая молекула гормона связывается с одним рецептором на поверхности клетки-мишени. Пространственная структура рецептора при этом меняется, и он взаимодействует с молекулой G-белка, также встроенного в мембрану. G-белок в свою очередь активирует фермент аденилатциклазу, способную индуцировать образование большого числа молекул — мощнейшего регулятора внутриклеточных процессов (ц-АМФ), которая может влиять на различные реакции, протекающие в клетке. Как один из наиболее вероятных видов воздействия (рис. 5.4, а), он активирует фермент протеинкиназу А, «снимая» с нее регулирующую субъединицу. Освободившись от этой субъединицы, протеинкиназа А начинает присоединять к определенным белкам клетки высокоэнергетические фосфатные группы, т. е. фосфорилирует их. Одни из таких белков являются ферментами, другие входят в состав стенок каналов, которые пропускают в клетку или выпускают из нее различные ионы. Фосфорилированные белки резко изменяют свою биологическую активность, и вся работа клетки резко активизируется: мышечная клетка будет сильнее сокращаться, секреторная клетка будет вырабатывать больше веществ.
При такой схеме передачи гормонального сигнала в клетку сам гормон называют первым посредником, ц-АМФ называют вторым посредником, а протеинкиназу А, которая изменяет работу множества белков клетки, называют внутриклеточным эффектором. По ходу описанного каскада реакций про-
Рис. 5.4. Варианты взаимодействия пептидного гормона с клеткой-мишенью: 1 — гормон; 2 — рецептор; 3 — липидный слой; 4 — аденилатциклаза; 5 — наружная мембрана клетки
исходит мощнейшее усиление сигнала. Так, одна молекула адренокортикотропного гормона (АКТГ), взаимодействуя с рецептором менее одной секунды, способна активировать около 1000 молекул аденилатциклазы, которые все вместе способны образовать более 1 млн молекул ц-АМФ и т. д. Таким образом, коэффициент усиления в гормональных каскадах способен достигать 107—108. Но естественно, белково-пептидные гормоны могут и тормозить работу клетки. В этом случае сигнал от рецептора, с которым связался гормон, доходит до особого вида G-белка, который не активирует, а, наоборот, тормозит активность аденилатциклазы.
Некоторые пептидные гормоны, также не проникающие внутрь клетки, имеют другой механизм действия (рис. 5.4, б).
Связываясь с рецептором на поверхности клетки-мишени, они открывают в мембране канал, через который в клетку поступают ионы кальция. Кальций — активатор целого ряда внутриклеточных процессов и других протеинкиназ, таким образом, гормон значительно изменяет деятельность клетки.
Принципиально иной механизм действия характерен для многих других гормонов (стероидов, гормонов щитовидной железы). Эти гормоны жирорастворимы и легко проникают внутрь клетки через наружную мембрану. В цитоплазме молекулы гормона связываются с молекулой рецептора (рис. 5.5). Комплекс гормон — рецептор проникает внутрь ядра клетки и связывается с участком ДНК, «включая» строго определенные гены. Идет образование и-РНК, которая выходит из ядра в цитоплазму, где и начинается синтез определенного белка или белков, изменяющих деятельность клетки. Описываемые эффекты развиваются довольно долго и бывают очень длительными, а зачастую являются программными, изменяя работу клетки на все время ее существования. Именно гормоны с «ядерной рецепцией» ответственны за общую и половую дифференцировку, многие поведенческие изменения. Комплекс гормон — рецептор реагирует с генетическим аппаратом обратимо, и после распада этого комплекса рецепторы могут использоваться многократно.
Рис. 5.5. Схема взаимодействия стероидных и тиреоидных гормонов с клеткой- мишенью: / — гормон; 2 — рецептор; 3 — клетка; 4 — ядро; 5 — комплекс « гормон—рецептор »; 6 — клеточная мембрана
Рис. 5.6. Схема регуляции деятельности эндокринной системы по принципу отрицательной обратной связиРис. 5.6. Схема регуляции деятельности эндокринной системы по принципу отрицательной обратной связиОбычно всякая эндокринная железа работает на «уровне покоя», выделяя небольшие количества гормона, но при необходимости секреция может тормозиться или, наоборот, резко усиливаться под действием химических стимулов. Этими химическими стимулами могут быть нейромедиаторы, выделяемые из окончаний нервных клеток; гормоны, выделяемые другими эндокринными железами; продукты, образующиеся в результате воздействия гормона. Обычно такие регуляции деятельности эндокринных желез осуществляются по принципу отрицательной обратной связи, т. е. повышение концентрации какого-либо гормона в крови или реакция клеток-мишеней на этот гормон оказывает угнетающее действие на его синтез и секрецию. Как правило, регуляция по принципу обратной связи осуществляется по нескольким цепям — с короткой или длинной петлей (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Схема регуляции деятельности эндокринной системы по принципу отрицательной обратной связи
Рис. 5.6. Схема регуляции деятельности эндокринной системы по принципу отрицательной обратной связи
В случае обратной связи с короткой петлей продукт деятельности органа-мишени или какой-то другой его физиологический эффект угнетающе действуют непосредственно на эндокринную железу, выделяющую гормон-стимулятор органа-мишени. Обратная связь по длинной петле осуществляется по тому же принципу, но содержит большее число составных элементов, один из которых (или их нечетное число) должен быть «тормозным». В случае двух тормозных звеньев в одной цепи отрицательная связь не срабатывает: два «отрицательных» эффекта взаимно «погасят» друг друга.
Регуляция по принципу отрицательной обратной связи позволяет осуществлять очень тонкие и гибкие эндокринные воздействия в физиологических пределах без опасения, что выброс какого-то гормона приведет к мощному, лавинообразному эффекту, который может привести к гибели организма.
Нервная и эндокринная системы — основные и интегрирующие системы, делающие организм единым целым и регулирующие его в условиях постоянно меняющейся окружающей среды. Но эти системы нельзя противопоставлять друг другу, кроме того, оказалось, что еще на ранних этапах эволюции живых организмов возникли нейросекреторные клетки, объединяющие в себе свойства нейронов и эндокринных клеток. Эти клетки (как нейроны) способны генерировать и передавать по своим аксонам нервные импульсы, и в то же время в их цитоплазме происходит синтез гормонов, являющихся либо пептидами, либо видоизмененными аминокислотами. У млекопитающих большая часть таких клеток сконцентрирована в гипоталамусе, где они образуют ряд скоплений — ядра. Через множество вставочных нейронов нейросекреторные клетки связаны со всеми сенсорными системами и постоянно получают афферентные стимулы от интеро- и экстероре- цепторов об изменениях во внутренней среде организма и о влияниях внешней среды. Под действием афферентных стимулов нейросекреторные клетки начинают усиленно синтезировать гормоны и транспортировать их по аксонам к нервным окончаниям в виде секреторных гранул.
Сейчас определена скорость, с которой двигаются по аксонам эти гранулы: 2800 мм/сутки. По аксонам гранулы с гормонами двигаются в особые нейрогемальные области, в которых нейросекрет выходит из окончаний и попадает в кровеносные капилляры, а дальше, как и любой другой гормон, переносится с током крови к органам-мишеням. У человека выделяют две важнейшие нейрогемальные области — нейрогипофиз (задняя доля гипофиза) и срединное возвышение.
ГИПОТАЛАМО-ГИПОФИЗАРНАЯ СИСТЕМА
Прекрасным примером связи между нервной и эндокринной видами регуляций может служить гипоталамо-гипофи- зарная система. Гипофиз, или нижний мозговой придаток, расположен у основания мозга в особой выемке костей черепа, называемой турецким седлом, и соединяется с ним через специальную ножку. Масса гипофиза у человека не более 500 мг, размер его не превышает размера средней вишни, однако состоит он из трех различных долей (рис. 5.7). В задней доле гипофиза оканчиваются аксоны, отходящие от нейросекреторных нейронов двух ядер гипоталамуса: супраоптического и
паравентрикулярного. По этим аксонам в заднюю долю приходят упакованные в гранулы гормоны, здесь они поступают в кровь и с ней достигают тканей-мишеней. Таким образом, в задней доле гипофиза синтеза гормонов не происходит. Еще одно название задней доли гипофиза — нейрогипофиз, так как через него в кровь попадают вещества, выделяемые нервными клетками гипоталамуса.
Передняя доля гипофиза, или аденогипофиз, представляет собой скопление мелких клеток, секретирующих целый набор пептидных гормонов. Аденогипофиз находится под контролем особых химических факторов, которые секретируются нейронами гипоталамуса и выделяются из окончаний аксонов этих клеток в срединном возвышении в основании ножки гипофиза, откуда током крови достигают клеток аденогипофиза
Рис. 5.7. Схема головного мозга (а), гипоталамуса и гипофиза (б): 1 — гипоталамус; 2 — гипофиз; 3 — продолговатый мозг; 4 и 5 — супраоптическое и пара- вентрикулярное ядра; 6 — ножка гипофиза; 7 — гипо- таламо-гипофизарный нейросекреторный тракт; 8 — задняя доля (нейрогипофиз); 9 — промежуточная доля; 10 — передняя доля (аденогипофиз); 11 — срединное возвышение; 12 — нейросекреторные клетки
(рис. 5.7). Четыре из этих факторов называют либеринами, и они стимулируют секрецию соответствующих гормонов клетками аденогипофиза. Еще три фактора называются статинами. Они тормозят секрецию соответствующих гормонов. В настоящее время ведутся интенсивные поиски новых либеринов и статинов.
Гормоны, выделяемые гипофизом, а также либерины и статины гипоталамуса являются короткими пептидами и состоят из небольшого числа аминокислотных остатков. Для них характерен мембранный тип рецепции.
Между передней и задней долями гипофиза находится тонкий слой клеток, образующий промежуточную долю, к которой подходят аксоны от нейронов гипоталамуса. В клетках этой доли вырабатывается меланоцитстимулирующий гормон.
Из нервных окончаний клеток гипоталамуса в сосуды задней доли гипофиза поступают два пептидных гормона, каждый из которых состоит из девяти аминокислотных остатков: анти- диуретический гормон (АДГ, или вазопрессин) и окситоцин.
Основным органом-мишенью для АДГ выступают почки (рис. 5.8). Вырабатывается он преимущественно в нейронах супраотического ядра гипоталамуса, по аксонам поступает в заднюю долю гипофиза, а оттуда с током крови достигает собирательных трубочек и выводных протоков почек. Под действием АДГ повышается обратное всасывание воды из мочи, что препятствует большим потерям жидкости. Кроме того, в повышенных концентрациях АДГ действует на мышцы стенок артерий: происходит их сокращение, сосуды сужаются, и давление крови повышается (отсюда название — вазопрессин, т. е. «сужающий сосуды»). Особенно усиливается поступление этого гормона в кровь при больших потерях крови, когда давление падает до угрожающих пределов и его необходимо поднять (рис. 5.8). АДГ обладает также выраженным воздействием на функции мозга, являясь природным стимулятором обучения и памяти. В очень малых дозах этот гормон и даже некоторые продукты его распада, не обладающие гормональным эффектом, способны ускорять обучение, замедлять забывание, восстанавливать память после тяжелых травм.
При уменьшении секреции АДГ, возникающем после черепно-мозговых травм, опухолях мозга, менингитах, развивается заболевание, называемое несахарным диабетом: у больного наблюдается резкое увеличение объема мочи, достигающее 20 л/сут, однако избытка сахара в моче, как при сахарном диабете, нет. Это происходит из-за того, что без АДГ
невозможно обеспечить обратное поглощение воды из мочи в кровь. В настоящее время АДГ получают синтетически и им можно лечить несахарный диабет. Гораздо сложнее ситуация, возникающая в том случае, когда рецепторы АДГ, расположенные в собирательных трубочках и выводных протоках, теряют чувствительность к гормону, орган-мишень перестает реагировать даже на большие концентрации АДГ.
Окситоцин (ОТ) образуется преимущественно в нейронах паравентикулярного ядра гипоталамуса, транспортируется по аксонам в нейрогипофиз и оттуда поступает в кровь. Основными тканями-мишенями окситоцина являются гладкие мышцы матки и мышечные клетки, окружающие протоки молочных желез и семенников (см. рис. 5.8). К концу беременности (после 280-го дня) секреция окситоцина повышается, что приводит к сокращению гладкой мускулатуры матки, плод продвигается к шейке матки и влагалищу. В итоге этот процесс превращается в роды. После родов секреция окситоцина тормозится. При недостаточной секреции окситоцина роды не-
Артериальные Почка Молочные Матка Семнвыводящие сосудыжелезыпротокиАртериальные Почка Молочные Матка Семнвыводящие сосудыжелезыпротокиСокращениеСокращениеПовышенная Выведение Сокращение гладкой реобсорбцнямолока мускулатуры во времяводыи после изгнания плодаПовышенная Выведение Сокращение гладкой реобсорбцнямолока мускулатуры во времяводыи после изгнания плодаСокращение гладкой мускулатурыСокращение гладкой мускулатурыв канальцахв канальцах
Артериальные Почка Молочные Матка Семнвыводящие сосудыжелезыпротоки
Артериальные Почка Молочные Матка Семнвыводящие сосудыжелезыпротоки
Сокращение
Сокращение
Повышенная Выведение Сокращение гладкой реобсорбцнямолока мускулатуры во время
водыи после изгнания плода
Повышенная Выведение Сокращение гладкой реобсорбцнямолока мускулатуры во время
водыи после изгнания плода
Сокращение гладкой мускулатуры
Сокращение гладкой мускулатуры
в канальцах
в канальцах
Рис. 5.8. Точки приложения гормонов нейрогипофиза
возможны: приходится прибегать к искусственной стимуляции, вводя роженице синтетический окситоцин.
При кормлении грудью сосательные движения младенца раздражают рецепторы соска, и импульсы через спинной мозг поступают в гипоталамус, усиливая выброс окситоцина. С током крови окситоцин поступает в молочную железу, вызывая сокращение гладкомышечных клеток, окружающих протоки, в результате чего молоко выдавливается из железы. Этот рефлекс продолжается до тех пор, пока молоко не иссякнет или пока не прекратится сосание.
У мужчин окситоцин, по-видимому, стимулирует гладкую мускулатуру семенных протоков при движении по ним семенной жидкости (рис. 5.8).
И последнее. Окситоцин — антагонист АДГ, он ухудшает обучение и память.
Гормоны аденогипофиза по своей химической природе являются пептидами. Их выброс находится под контролем либе- ринов и статинов гипоталамуса. Большая часть гормонов аденогипофиза регулирует деятельность периферических эндокринных желез (надпочечников, щитовидной, половых). Их принято называть тропными гормонами.
Обычно гормоны аденогипофиза синтезируются в неактивной форме, в виде предшественника, и по мере надобности от них отщепляются защитные группировки. Они превращаются в физиологически активные вещества, оказывающие гормональный эффект. Схема регуляции аденогипофиза приведена на рис. 5.9.
Аденокортикотропный гормон (АКТГ, кортикотропин) представляет собой цепочку из 39 аминокислотных остатков. Его образование и выброс в кровь стимулирует кортиколибе- рин, вырабатываемый в гипоталамусе. Актоном АКТГ является фрагмент с 4-го по 10-й аминокислотный остаток (АКТГ4_10), гаптоном — фрагмент АКТГИ_14, фрагменты АКТГ1-3, АКТГ15_21 и АКТГ22_24 выполняют защитную и стабилизирующую роль, предохраняя актон и гаптон от действия разрушающих ферментов. Остальная часть молекулы (АКТГ25_39), по-видимому, не имеет биологической активности. Таким образом, для обеспечения полного гормонального эффекта АКТГ необходим фрагмент AKTrj_24.
АКТГ относится к тропным гормонам, и основным органом-мишенью для него служит кора надпочечников, где под его воздействием синтезируется и выбрасывается в кровь це-
лая группа стероидных гормонов: глюкокортикоиды и в некоторой степени минералокортикоиды (см. раздел, посвященный надпочечникам). Через несколько секунд после выброса АКТГ в кровь наблюдается ответ коры надпочечников, усиленно секретирующей гидрокортизон (кортизол) и кортикостерон. Все эти гормоны необходимы для того, чтобы приспособить обмен веществ к неблагоприятным воздействиям, приводящим к стрессу. АКТГ выбрасывается в кровь постоянно, хотя уровень секреции меняется в течение суток, реагируя на уровень кортиколиберина гипоталамуса, определяемый внутренними биологическими часами. У человека наибольший выброс АКТГ в кровь наблюдается в утренние часы перед и во
Нервные импульсы
Рис. 5.9. Структурная схема эффектов гормонов аденогипофиза
время пробуждения. Это очень важно, так как кора надпочечников при этом выделяет свои гормоны, стимулирующие энергетический обмен, и организм, таким образом, подготавливается к активной деятельности. Выброс АКТГ усиливается также при любых неблагоприятных воздействиях: голоде, повышенной тревожности, болевых раздражителях. В последние годы показано, что АКТГ и даже один его актон, т. е. фрагмент АКТГ4_10, способен проникать в мозг и действовать на целый ряд функций ЦНС. В частности, он усиливает селективное внимание, позволяющее человеку выбирать из многих одномоментно действующих на него факторов наиболее биологически значимый. Кроме того, АКТГ стимулирует запоминание, а значит, и обучение. Есть данные о том, что АКТГ может улучшать настроение и обладает некоторым антидепрессив- ным эффектом. Воздействие на мозг внешне не связано с гормональным эффектом АКТГ на основной орган-мишень — кору надпочечников. Однако очевидно, что при активной деятельности или реакции на стресс оба эффекта АКТГ: воздействие на мозг и стимуляция коры надпочечников — очень удачно дополняют друг друга, позволяя организму мобилизовать свои резервы.
Особо следует отметить, что Либерии АКТГ — кортиколи- берин гипоталамуса — также обладает прямым выраженным воздействием на деятельность мозга. Он стимулирует эмоциональность и двигательную активность, усиливает тревожность, одновременно подавляя пищедобывательское и половое поведение. Кортиколиберин положительно влияет на когнитивные функции мозга, стимулируя процессы обучения. Таким образом, прямое воздействие кортиколиберина на поведение дополняет те поведенческие эффекты, к которым приводит индуцированный им выброс в кровь АКТГ.
При возрастании секреции АКТГ возникает гипофизарный синдром Кушинга. Нерегулируемый избыток АКТГ приводит к резкому возрастанию секреции гормонов коры надпочечников. Чаще всего причина болезни — доброкачественные микроопухоли гипофиза или увеличение выброса кортиколиберина. Главные симптомы синдрома Кушинга — ожирение туловища, повышение артериального давления (артериальная гипертензия), лунообразное лицо с багровым румянцем, кровоподтеки. У многих больных наблюдаются нарушения психики: расстройства сна, раздражительность, эмоциональная неустойчивость, депрессии, сопровождающиеся суицидальными попытками. Это заболевание довольно редкое — не бо-
лее 1 случая на миллион человек. У женщин синдром Кушинга встречается в 4—8 раз чаще, чем у мужчин.
Тиреотропный гормон (ТТГ, тиреотропин) является гликопротеином — белком, связанным с полисахаридом. Тиреотропин — также тропный гормон. Основным его органом- мишенью выступает щитовидная железа, где этот гормон приводит к возрастанию числа и увеличению размеров фолликулярных клеток, вырабатывающих гормоны щитовидной железы, а также стимулирует выброс этих гормонов в кровь. Синтез и выброс ТТГ регулируется тиреолиберином гипоталамуса, коротким пептидом, состоящим всего из трех аминокислотных остатков. Помимо своего гормонального эффекта, ти- реолиберин способен непосредственно влиять на клетки мозга, активируя эмоциональное поведение и поддерживая бодрствование, учащая дыхание, подавляя аппетит, смягчая течение депрессий. Иными словами, тиреолиберин — мощный внутренний нейро- и психорегулятор, и его эффекты дополняют эффекты регулируемого им тиреотропного гормона и гормонов щитовидной железы. О возможных патологиях, связанных с избытком или недостатком ТТГ, будет сказано при описании эффектов гормонов щитовидной железы.
Гонадотропные гормоны гипофиза, или гонадотропины, к которым относят два гормона передней доли гипофиза: фолликулостимулирующий (ФСГ) и лютеинизирующий (ЛГ), являются гликопротеидами и отчасти сходны по химическому составу. Органами-мишенями для гонадотропинов выступают мужские и женские половые железы: семенники и яичники. У женщин ФСГ стимулирует рост фолликулов в яичниках, а у мужчин он необходим для роста семенных пузырьков и активирует образование сперматозоидов. Особенно важна роль ФСГ в период полового созревания мальчиков, когда этот гормон «запускает» сперматогенез, который потом поддерживается на требуемом уровне и с помощью ФСГ, и с помощью гормона семенников — тестостерона.
У женщин лютеинизирующий гормон необходим для синтеза эстрогенов в фолликулах, чтобы разрывать стенку фолликула, т. е. для овуляции. Под действием ЛГ образуется желтое тело, и происходит синтез и секреция прогестерона (см. разд. 5.7). У мужчин ЛГ стимулирует развитие в семенниках тех клеток, которые секретируют тестостерон, причем в этом процессе ФСГ играет пермиссивную роль, усиливая эффект ЛГ.
Регуляция гонадотропинов осуществляется гипоталамическим либерином, называемым люлиберином. Люлиберин, со-
стоящий из 10 аминокислотных остатков, не только усиливает секрецию гонадотропинов аденогипофизом, но и способен действовать на клетки мозга, активируя половое поведение, повышая эмоциональность человека и улучшая обучение и память. Обнаружен целый ряд патологий, вызываемых нехваткой люлиберина или гонадотропинов передней доли гипофиза. Например, снижение этих гормонов наблюдается при нервной анорексии, наблюдаемой преимущественно у девочек-подростков. При нервной анорексии человек добровольно отказывается от пищи, желая похудеть. Одновременно больные подвергают себя повышенным физическим нагрузкам, после приема пищи принимают слабительное или искусственно вызывают рвоту. При этом заболевании наблюдаются глубокие нарушения психики, и многие ученые относят нервную анорексию к определенной стадии шизофрении. При нервной анорексии потеря массы тела сопровождается нарушением секреции целого ряда гормонов, и прежде всего ФСГ и ЛГ. Как следствие, развивается серьезная патология половых желез, хотя эти патологические изменения обратимы при ликвидации основного заболевания. Снижение секреции гонадотропинов наблюдается у девушек, подвергающих свой организм значительным физическим нагрузкам в подростковом и пубертатном возрасте. Чаще всего это спортсменки или начинающие балерины.
Снижение секреции люлиберина и гонадотропинов вызывает и употребление марихуаны. У женщин нарушается менструальный цикл, а у мужчин снижается уровень тестостерона и образуется меньше спермы. Причем патологические изменения исчезают только через 4—6 месяцев после прекращения употребления марихуаны. Секреция гонадотропинов снижается также под действием длительного стресса.
Иногда, при возникновении опухолей аденогипофиза, секреция гонадотропинов резко возрастает до нормальных сроков полового созревания, и тогда у мальчиков и девочек в возрасте 8—9 лет начинают развиваться вторичные половые признаки. У девочек увеличиваются молочные железы, наблюдается оволосение лобка, появляются менструации, которые приобретают циклический характер. У мальчиков увеличивается мышечная масса, ломается голос, происходит оволосение тела. И у мальчиков, и у девочек преждевременная повышенная секреция гонадотропинов сопровождается ускоренным ростом, но зоны роста в костях быстро закрываются, и лица с преждевременным половым созреванием отличаются малым ростом.
Соматотропный гормон передней доли гипофиза, или гормон роста (соматотропин, СТГ), представляет собой пептидную цепочку из 191 аминокислотного остатка. Органами-мишенями для него являются кости, мышцы, сухожилия, внутренние органы. Образование и выброс соматотропина контролируют два гипоталамических фактора: соматолиберин, стимулирующий эти процессы, и соматостатин, тормозящий их. Высвобождение соматолиберина и соматостатина также регулируется многими факторами: и нервными, и химическими. Соматотропин стимулирует рост различных тканей организма, ускоряя синтез и замедляя распад белков. Однако ускорение роста происходит не столько под действием этого гормона, сколько опосредуется через выброс из клеток печени особых белковых факторов — иммуноподобных факторов роста (ИФР).
К настоящему времени определена структура двух ИФР: ИФР1 и ИФРП, которые мобилизуют энергетические запасы организма и ускоряют синтез белка, в результате чего и происходит усиленный рост организма. При этом через ИФРП опосредуется действие СТГ в эмбриональном периоде развития, а ИФР1 — посредник СТГ в постэмбриональном периоде.
Очень часто СТГ действует на рост вместе с другими гормонами, оказывая пермиссивный эффект. Гормон роста секретируется пульсирующим способом, а именно выбрасывается в кровь каждые 3—5 ч. Значительное количество СТГ поступает в кровь в тот период, когда человек засыпает: через 60— 90 мин после начала сна. А всего за ночь выбрасывается около 70% суточной «дозы» этого гормона. Секреция СТГ также зависит от возраста человека (максимум достигается в 14— 15 лет, когда организм интенсивно растет).
При нехватке гормона роста наблюдается задержка роста при нормальном телосложении. Карликовым ростом условно принято считать рост ниже 130 см у мужчин и ниже 120 см — у женщин. Задержка роста, вызванная снижением секреции СТГ, встречается с частотой 1:10 000. Причины всех задержек роста можно разделить на три группы: 1) нехватка СТГ; 2) снижение числа рецепторов к СТГ или снижение их чувствительности к гормону; 3) нехватка ИФР.
Например, у африканских пигмеев выработка самого гормона находится в рамках физиологической нормы, но в результате наследственной мутации у них не вырабатывается один из важнейших ИФР. Как правило, первые признаки заболевания проявляются у детей в 2—3 года, когда они начинают отставать в росте. Наблюдается задержка полового развития, и, как правило, больные остаются бесплодными. Умственное раз-
витие при недостаточности СТГ обычно нормальное, память — в норме, но наблюдается эмоциональный инфантилизм (недоразвитие), незрелость суждений. Иногда клетки аденогипофиза, вырабатывающие СТГ, перерождаются и секретируют повышение количества гормона. Если это перерождение происходит в детском возрасте, то ребенок ускоренно растет вплоть до полового созревания, когда повышение секреции половых гормонов приводит к окостенению хрящевых зон роста на концах длинных костей, и рост прекращается. Этот вид патологии получил название гипофизарного гигантизма.
Усиленная секреция СТГ у взрослого человека, рост которого уже прекратился, вызывает заболевание, называемое акромегалия. Чаще всего акромегалия возникает из-за выделения гормона роста доброкачественной опухолью — аденомой гипофиза. Заболеваемость акромегалией составляет приблизительно 3 человека на 1 млн. При акромегалии наблюдается усиленный рост ушей, носа, подбородка, пальцев, зубов. Внутренние органы (печень, почки, желудок) по размерам в 2—4 раза больше, чем в норме. Масса сердца может достигать 1,3 кг (в норме— 300 г)! Наблюдается нарушение функций половой системы. Для лечения акромегалии применяют облучение гипофиза, хирургическое удаление опухоли или препараты, угнетающие секрецию СТГ.
Пролактин — также один из тропных гормонов гипофиза. Он представляет собой пептид из 199 аминокислотных остатков, частично совпадающих с последовательностью гормона роста. Основным органом-мишенью пролактина являются молочные железы, но, кроме того, пролактин связывается с рецепторами, расположенными в яичниках, плаценте, матке, семенниках, семенных пузырьках, простате, иммунных клетках, мозге, печени.
До последнего времени считалось, что для пролактина нет собственного гипоталамического либерина и что роль такого высвобождающего фактора могут выполнять тиреотропин-ри- лизинг-гормон, а также другой регуляторный пептид, вырабатываемый в гипоталамусе, сокращенно называемый ВИП. Но в 1999 г. появились сведения о том, что обнаружен и выделен собственный Либерии пролактина, названный пролактолибе- рином. Кроме того, выяснено, что роль пролактостатина выполняет один из медиаторов центральной нервной системы — дофамин. Дофамин — это исключение, поскольку относится к классу катехоламинов, а все другие гипоталамические либе- рины и статины являются пептидами. В основании гипоталамуса имеются нейроны, синтезирующие дофамин. По аксонам
этих нейронов дофамин транспортируется в срединное возвышение и там попадает в кровеносные сосуды гипофиза, достигая по ним лактотрофных клеток гипофиза, в которых синтезируется пролактин.
Пролактин выполняет несколько физиологических функций: стимулирует образование молока в молочных железах, усиливая синтез белков молока; поддерживает существование желтого тела и образование в нем прогестерона (поэтому пролактин также называется лютеотропным гормоном)', усиливает чувствительность фолликулов и клеток семенных канальцев к ФСГ. В физиологических условиях усиленная секреция пролактина регистрируется при стрессе, физической нагрузке, акте сосания, у женщин — во время полового акта и в период беременности.
При некоторых заболеваниях гипоталамуса и гипофиза (менингит, опухоли, травмы) может наблюдаться усиленное выделение молока и нарушения менструального цикла, а у мужчин — снижение либидо и потенции. Для лечения этой патологии используют вещества, сходные по эффектам с дофамином и способные достигать клеток опухоли, выделяющих пролактин. Секреция пролактина при этом тормозится, и выделение молока прекращается.
Меланоцитстимулирующий гормон (МСГ) вырабатывается в средней доле гипофиза, которая образована из той же ткани, что и передняя доля. МСГ также является небольшим пептидом. Последовательность аминокислот в МСГ идентична участку молекулы АКТГ, и, по-видимому, МСГ может образовываться при распаде АКТГ, тем более что средняя доля гипофиза у человека развита очень слабо. Выделение МСГ стимулируется тем же либерином гипоталамуса, что и АКТГ, т. е. кортиколиберином, а тормозится его образование специальным гипоталамическим фактором — меланостатином. Помимо своего воздействия на гипофиз, меланостатин обладает прямым влиянием на функции мозга. Этот маленький пептид, состоящий всего из трех аминокислотных остатков, — мощный активатор эмоциональности и двигательной активности. Кроме того, меланостатин обладает антидепрессивными эффектами и применяется при лечении нейродегенеративного заболевания — болезни Паркинсона, при которой разрушаются нейроны, содержащие дофамин.
Одна из основных функций МСГ — стимуляция синтеза темного пигмента меланина в клетках кожи и некоторых других тканей, в результате чего кожа темнеет. Меланин выпол-
няет функции экрана, защищающего организм от вредного воздействия ультрафиолета. Кроме того, меланин связывает в коже опасные вещества, образующиеся под воздействием солнечной радиации. Он играет значительную роль в общей системе гормональной регуляции, стимулируя секрецию АДГ и окситоцина. Как и подавляющее большинство других гормонов, МСГ способен регулировать работу мозга. Так, сам гормон и даже его фрагменты, общие с АКТГ, способны стимулировать внимание, кратковременную память, усиливать положительные эмоции. Прямых патологий в организме человека, вызываемых именно нехваткой или избытком МСГ, не выявлено.
ЩИТОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА
Щитовидная железа расположена на передней поверхности трахеи. Она состоит из двух долей, соединенных перешейком. Масса щитовидной железы может значительно колебаться и у различных людей, и у одного человека в зависимости от его физиологического состояния и возраста. Средняя масса железы — приблизительно 25 г. Щитовидная железа, как и другие эндокринные железы, очень хорошо снабжается кровью, поступающей из крупных артерий. Под микроскопом видно, что щитовидная железа построена из тысяч фолликулов (рис. 5.10). Каждый пузырек состоит из эпителиальных клеток, вырабатывающих белок — тиреоглобулин, который поступает внутрь фолликулов и накапливается там в особой
Рис. 5.10. Поперечный разрез фолликулов щитовидной железы: 1 — секреторный эпителий; 2 — коллоид; 3 — жировые клетки; 4 — межфолликулярная соединительная ткань; 5 — кровеносный сосудРис. 5.10. Поперечный разрез фолликулов щитовидной железы: 1 — секреторный эпителий; 2 — коллоид; 3 — жировые клетки; 4 — межфолликулярная соединительная ткань; 5 — кровеносный сосуд
Рис. 5.10. Поперечный разрез фолликулов щитовидной железы: 1 — секреторный эпителий; 2 — коллоид; 3 — жировые клетки; 4 — межфолликулярная соединительная ткань; 5 — кровеносный сосуд
Рис. 5.10. Поперечный разрез фолликулов щитовидной железы: 1 — секреторный эпителий; 2 — коллоид; 3 — жировые клетки; 4 — межфолликулярная соединительная ткань; 5 — кровеносный сосуд
коллоидной массе. Именно из аминокислотных остатков тирозина, входящих в состав тиреоглобулина, синтезируются гормоны щитовидной железы. Фолликулы щитовидной железы уникальны — это единственные образования в организме, способные активно поглощать иод и включать его в биологически активные молекулы. Иод поступает в наш организм с пищей и питьевой водой, всасывается в кишечнике в кровь в виде ионов, причем в сутки желательно получать около 0,1 — 0,5 г иода. С током крови иодиды достигают щитовидной железы и активно, с затратой энергии транспортируются через мембраны внутрь клеток, образующих фолликулы. В результате в этой ткани содержание иода может быть в 100 раз выше, чем в крови.
Главный гормон щитовидной железы — тироксин содержит четыре атома иода, и поэтому его принято обозначать как Т4. Его химическая структура:
Через несколько лет после открытия тироксина был обнаружен второй гормон щитовидной железы — трииодтиро- нин, или Т3, который активнее Т4 приблизительно в 5 раз. Химическая структура Т3:
Иод присоединяется к аминокислотным остаткам тирозина еще тогда, когда они входят в состав тиреоглобулина, затем иодированные остатки тирозина, соединяясь между собой, об-
разуют Т4 или Т3, которые после этого могут или долго храниться, оставаясь в составе тиреоглобулина, или отщепляться от «материнского» белка, превращаясь в молекулы активных гормонов.
При недостаточном содержании Т4 и Т3 в крови усиливается секреция в кровь тиреотропного гормона аденогипофиза (ТТГ). ТТГ действует на мембраны фолликулов щитовидной железы, что приводит к активации клеток фолликулов, тогда распад тиреоглобулина и выброс в кровь Т4 и Т3 усиливаются. В крови эти гормоны связываются со специальными транспортными белками плазмы, в результате чего получается депо гормонов в крови. На органы-мишени могут действовать только те молекулы Т4 и Т3, которые отщепляются от транспортных белков.
Как уже говорилось, гормоны щитовидной железы обладают внутриклеточной рецепцией, воздействуя на генетический аппарат клетки. Для этих гормонов также справедлив принцип разделения их молекул на участки с различными функциями. Показано, что у Т3 кольцо А, к которому присоединены два атома иода, является гаптоном, т. е. отвечает за прикрепление всей молекулы гормона к рецептору, а кольцо В, с одной молекулой иода, — актон, ответственный за генерацию биологического эффекта.
Практически все клетки организма чувствительны к воздействию тиреоидных гормонов, эффекты которых можно подразделить на две группы: регуляция обмена веществ и регуляция процессов роста и развития.
Итак, Т4 и Т3 воздействуют на клетки мышц, печени, сердца, почек, нейроны, усиливая в них интенсивность обмена, повышая потребление кислорода, увеличивая чувствительность клеток к медиатору норадреналину. Под воздействием этих гормонов усиливается выработка АТФ в митохондриях; Т4 и Т3 повышают уровень обмена углеводов, жиров, белков, вызывают усиление высвобождения энергии в виде тепла. Эти эффекты гормонов развиваются медленно, и от момента повышения их концентрации в крови до возникновения обменных эффектов может проходить до 48 ч. Это связано с механизмом действия тиреоидов, связанным с таким сложным многофазным процессом, как синтез белка.
Еще медленнее развиваются эффекты тиреоидов, которые относятся к гормонам регуляции роста и развития, причем эти эффекты развиваются чаще при совместном действии ти-
реоидов и гормона роста. Гормоны щитовидной железы стимулируют рост тела и развитие всех систем организма, и особенно нервной системы.
При нарушениях в системе: мозг — тиреолиберин — тиреотропный гормон аденогипофиза — Т4/Т3-рецепторы, возникают многочисленные патологии.
При недостаточности развития щитовидной железы и снижении уровня ее функционирования возникает гипотиреоз. У взрослых людей снижается уровень обмена, а также нарушаются функции ЦНС: замедлена реакция на раздражители, появляется сонливость, повышена утомляемость, ухудшена память, теряется интерес к окружающему, развиваются отеки, падает температура тела, сердечный ритм замедлен, артериальное давление обычно снижено, нарушается функция почек, страдает желудочно-кишечный тракт, наблюдаются расстройства половой сферы. У взрослых людей гипотиреоз получил название микседемы. Симптомы этого заболевания быстро ликвидируются при приеме тиреоидных гормонов.
Сниженный уровень тиреоидов у новорожденных детей приводит к более тяжелым последствиям. Это заболевание называется кретинизмом. У кретинов из-за ослабления действия тиреоидных гормонов — эффекта гормона роста, наблюдается сильная задержка умственного развития, вплоть до полной идиотии. В этом случае необходимо постоянное введение гормонов, и запаздывание с лечением приводит к необратимым последствиям. Раньше микседема и кретинизм часто встречались в горных районах, где в ледниковой воде мало иода. Сейчас эту проблему легко решают добавлением натриевой соли иода в поваренную соль.
К сожалению, довольно часто встречается и патологически усиленное функционирование щитовидной железы, при котором возникает гипертиреоз. Развитие гипертиреоза в детстве или юности может привести к одному из вариантов гигантизма, а в зрелом возрасте — к Базедовой болезни (болезни Грейвса). При этом у больных повышен основной обмен, усилен синтез и распад белков и жиров, больные возбуждены, нарушается сон, у них повышена температура, учащены дыхание и сердечный ритм. У многих больных наблюдается пучеглазие (.экзофтальму, опосредованно могут возникать половые расстройства. Иногда при гипертиреозе возникает разрастание тканей щитовидной железы при усиленной секреции тиреодов — образуется зоб. Но чаще зоб не образуется, и усиление секреции происходит в небольших узлах щитовидной
железы. Часто гипертиреоз связан с увеличенной секрецией тиреолиберина гипоталамуса или ТТГ аденогипофиза.
Базедова болезнь чаще возникает у женщин, чем у мужчин. Лечат гипертиреоз препаратами, снижающими секрецию Т3/Т4, но в тяжелых случаях, при большом увеличении массы железы, показано ее частичное хирургическое удаление. У взрослых людей усиленную функцию щитовидной железы иногда подавляют введением в организм радиоактивного иода, что приводит к ее частичному разрушению.
ПАРАЩИТОВИДНЫЕ ЖЕЛЕЗЫ
Паращитовидные железы — небольшие тельца, расположенные на задней поверхности щитовидной железы и имеющие общие с ней иннервацию и кровообращение. У 90% людей четыре паращитовидные железы, у 5% — три и у 5% — пять желез.
Паращитовидные железы секретируют паратгормон (паратиреоидный, ПТГ), представляющий собой пептид из 84 аминокислотных остатков. ПТГ необходим для поддержания постоянного уровня ионов кальция в крови. Уровень кальция в крови и межклеточной жидкости — важнейший физиологический параметр, так как кальций служит одним из основных регуляторов всех функций организма, и колебания его концентрации недопустимы. Главные органы-мишени для ПТГ — кости, почки и кишечник. При малейшем снижении концентрации ионов кальция в крови этот гормон поступает в кровь, достигает костей и приводит к выбросу кальция из костной ткани. Кроме того, достигая почек, ПТГ усиливает обратное всасывание кальция из мочи в кровь, препятствуя потере этого важнейшего для организма вещества, а действуя на кишечник, стимулирует всасывание кальция. "
При разрастании тканей паращитовидных желез, например при возникновении опухоли, наблюдается избыточная секреция паратгормона, приводящая к «вымыванию» кальция из костей и повышению содержания кальция в крови, что приводит к потере опорной функции костей. Очень часто при этом заболевании, называемом гиперпаратиреозом, страдает функция почек, в частности, избыток кальция в крови приводит к образованию в почках камней, состоящих из солей кальция. Очень часто при гиперпаратиреозе возникают психические нарушения: депрессия, ослабление рефлексов, ухудше-
ние памяти. Для ликвидации гиперпаратиреоза применяют удаление опухоли, клетки которой секретируют паратгормон.
При недостаточной секреции ПТГ возникает заболевание — гипопаратиреоз. Его причиной иногда бывает случайное удаление паращитовидных желез при операциях на щитовидной железе, хотя есть и другие причины возникновения гипопаратиреоза. При этом заболевании содержание кальция в крови снижается и, как следствие, повышается нервная и мышечная возбудимость, возникают судороги. Для лечения гипопаратиреоза применяют препараты, повышающие содержание кальция в крови.
НАДПОЧЕЧНИКИ
Надпочечники — парные железы внутренней секреции, массой по 5—7 г, расположенные на полюсах почек. В каждом надпочечнике выделяют два слоя: корковый и мозговой (рис. 5.11). Эти слои железы совершенно различны по своему происхождению. Наружный корковый слой развивается из среднего зародышевого листка (мезодермы), а внутренний слой является видоизмененным узлом вегетативной нервной системы.
Кора надпочечников подразделяется на три зоны: клубочковую, пучковую и сетчатую. Каждая из этих зон вырабатывает характерные для нее гормоны, которые жизненно не-
Рис. 5.11. Надпочечник и его гормоны: 1, 2 и 3 — соответственно пучковая, сетчатая и клубочковая зоны; 4 — альдостерон; 5 — мозговое вещество; 6 — кора
обходимы для организма. Общее название гормонов коры надпочечников — кортикостероиды. В клубочковой зоне образуются минералокортикоиды, в пучковой — глюкокортикоиды, в сетчатой — глюкокортикоиды и некоторое количество половых гормонов. Все эти гормоны по своей химической природе — стероиды.
Минералокортикостероиды получили свое название за то, что регулируют обмен таких минеральных элементов, как натрий и калий. Основным минералокортикоидом в организме человека является альдостерон, способствующий, во-первых, задержке в организме воды и натрия и, во-вторых, выведению калия. Основной орган-мишень для альдостерона — почки. Секретируемый под действием АКТГ и ренина почек альдостерон проникает в эпителиальные клетки стенок почечных канальцев, в цитоплазме этих клеток связывается со специфическим рецептором. Комплекс гормон — рецептор проникает в ядро клетки и приводит к синтезу фермента, приводящего к задержке выделения натрия и усилению выведения калия с мочой. Секреция альдостерона усиливается также при уменьшении объема плазмы крови: при сильной жажде или кровопотерях. Под действием альдостерона жидкость задерживается в организме и объем плазмы постепенно нормализуется.
Глюкокортикоиды синтезируются в клетках пучковой зоны коры надпочечников. Основной глюкокортикоид — гидрокортизон (кортизол). Глюкокортикоиды получили свое название за то, что являются регуляторами углеводного обмена, усиливая цепь реакций, приводящих к образованию главного углевода в организме — глюкозы. Кроме того, кортизол тормозит расход глюкозы в периферических органах и тканях. Под влиянием кортизола тормозится проникновение пищевых аминокислот из крови в различные клетки и, как следствие, стимулируются процессы распада белка в различных тканях, что при некоторых патологиях может привести к снижению мышечной массы, замедлению заживления ран. Кортизол также тормозит образование жиров. Кортизол, как и все другие глюкокортикоиды, подавляет развитие воспаления. Воспаление характеризуется тремя симптомами: во-первых, притоком крови к воспаленному участку и его покраснением; во-вторых, увеличением проницаемости стенок капилляров в воспаленном участке и поступлением жидкости из капилляров в межклеточные пространства, т. е. отеком; и, в-третьих, как следствие первых двух процессов — болевыми ощущениями. Все эти три симптома устраняются кортизолом.
Глюкокортикоиды угнетают иммунитет, подавляя образование антител к чужеродным белкам, что позволяет использовать их для торможения реакций отторжения пересаженных органов. В ряде случаев, при кратковременном выбросе кортизола в кровь, описанные реакции не опасны для организма, однако длительное повышение уровня глюкокортикоидов в крови может привести к тому, что симптомы какого-либо инфекционного заболевания будут подавлены, а болезнь от этого не станет менее опасной. Поэтому применять глюкокортикоиды в качестве лекарств нужно только по назначению врача.
Кортизол необходим для создания реакции на сильные раздражители, приводящие к развитию стресса. Стресс можно определить как угрожающую ситуацию, развивающуюся под воздействием боли, кровопотери, страха. Кортизол препятствует кровопотере и, способствуя развитию сосудосуживающего эффекта норадреналина, сужает мелкие артериальные сосуды. Он усиливает сократительную способность сердечной мышцы. Кортизол помогает лучше переносить состояние физиологического шока, он обладает также пермиссивными эффектами, облегчая эффекты тироксина и норадреналина.
Секреция глюкокортикоидов регулируется АКТГ, причем под действием этого гормона не только усиливается секреция, но и стимулируется рост коры надпочечников, т. е. увеличивается масса ткани, способной вырабатывать кортизол.
В течение всей жизни человека в клетках сетчатой зоны коры надпочечников вырабатываются мужские и женские половые гормоны. Так, у мужчин две трети половых гормонов — андрогенов синтезируется в семенниках, а одна треть — в коре надпочечников.
При разрушении клеток коры надпочечников развивается болезнь Аддисона. Раньше хроническая недостаточность коры являлась, главным образом, следствием туберкулезной инфекции. В настоящее время это заболевание чаще возникает из-за разрушительного воздействия на кору надпочечников антител, ошибочно вырабатываемых клетками иммунной системы. У больных с болезнью Аддисона резко повышена секреция кортиколиберина и АКТГ, за счет чего организм пытается повысить выработку гормонов коры надпочечников, что невозможно по причине ее разрушения. Но кортиколиберин является также и фактором, усиливающим секрецию мелано- цитстимулирующего гормона гипофиза, который, в свою очередь, приводит к синтезу большого количества пигмента меланина и потемнению кожи. У больных, кроме того, разви-
вается мышечная слабость, снижается масса тела, страдает память и умственные способности, ослабевает концентрация внимания, иногда развиваются депрессии. Наблюдается усиленное выведение натрия с мочой и повышение уровня калия в крови. Для лечения болезни Аддисона необходимо постоянно вводить кортикостероиды.
Возможна и противоположная патология: из-за усиленной секреции кортиколиберина или АКТГ наблюдается гиперфункция коры надпочечников и возникает синдром Кушинга. Еще одно заболевание, связанное с корой надпочечников, — адреногенитальный синдром, вызываемый врожденным отсутствием ферментов, необходимых для синтеза кортизола. На систему гипоталамус — аденогипофиз нехватка кортизола оказывает стимулирующий эффект, и усиленная секреция кортиколиберина гипоталамусом и АКТГ аденогипофизом должна бы повысить уровень кортизола, что в этой ситуации невозможно. Зато естественно усиливается синтез других стероидов коры надпочечников и очень часто — мужских половых гормонов (андрогенов). При этом у девочек, несмотря на нормальный женский генотип, происходит развитие организма по мужскому типу и формируется мужской фенотип. Очень редко кора надпочечников начинает секретировать повышенные количества андрогенов в зрелом возрасте. В этом случае у женщин наблюдается оволосение по мужскому типу, облысение, уменьшение молочных желез, увеличение клитора.
В мозговом веществе надпочечников содержатся специализированные клетки, синтезирующие два гормона: адреналин и норадреналин, относящиеся к классу катехоламинов и вырабатываемые из аминокислоты тирозина. Секреторную активность клеток мозгового вещества стимулирует медиатор ацетилхолин, выделяемый из окончаний преганглионарных симпатических нейронов, подходящих к этим клеткам. Таким образом, по своему эмбриональному происхождению и иннервации мозговое вещество надпочечников — симпатический нервный узел. Из клеток мозгового вещества выделяется приблизительно 80% адреналина и 20% норадреналина. Мишенями этих гормонов являются все ткани организма. Адреналин и норадреналин призваны мобилизовать все силы человека в случае ситуаций, требующих большого физического или умственного напряжения, при травме, инфекции, испуге. Под влиянием внешних или внутренних стрессовых факторов происходит секреция этих гормонов, которые увеличивают частоту сердечных сокращений и выброс крови при каждом
из них; повышают давление крови для улучшения снабжения кислородом и глюкозой; учащают дыхание и расширяют бронхи; тормозят перистальтику (сокращение) желудочно-кишечного тракта. Кроме того, адреналин и норадреналин стимулируют энергетический обмен. Так как основным источником энергии в организме служит глюкоза, то под действием этих гормонов распадается полимер глюкозы гликоген, хранящийся в печени; при этом образуется много молекул глюкозы, поступающих в кровь. Стимулируется также распад жиров для покрытия энергетических затрат. Адреналин и норадреналин вызывают повышение возбудимости структур головного мозга, что также адаптирует нервную систему к работе в условиях стресса. Таким образом, когда человек или животное находится в опасности, то гормоны мозгового вещества создают все условия для успешной борьбы или не менее успешного бегства.
Многообразие эффектов адреналина и норадреналина связано с тем, что в различных тканях они реагируют с имеющимися там несколькими видами рецепторов. Выделяют два типа рецепторов к этим веществам альфа- и бета-типа. В свою очередь, эти рецепторы подразделяются на альфа-1, альфа-2 и бета-1, бета-2 и другие подвиды рецепторов. Так, сужение сосудов желудочно-кишечного тракта при стрессе вызвано «включением» альфа-рецепторов, а расширение сосудов мышц при этом опосредовано через бета-рецепторы.
Адреналин наиболее эффективно связывается с бета-адренергическими рецепторами, которые через G-белок запускают активацию аденилатциклазы. Норадреналин в большей степени связывается с альфа-адренергическими рецепторами, которые связаны с другим видом G-белка, напротив, тормозящим активность аденилатциклазы, или воздействуют на события в клетке через повышение внутриклеточной концентрации ионов кальция.
Патологии мозгового вещества надпочечников возникают редко, однако при развитии в этой области опухоли (феохромоцитомы) происходят приступообразные выбросы адреналина, причем симптомы, наблюдаемые при этом, те же, что и при избыточном возбуждении симпатического отдела вегетативной нервной системы. Клинически феохромоцитома проявляется подъемом артериального давления (злокачественная гипертензия), не поддающаяся медикаментозному лечению. Единственный метод лечения — хирургический.
Любое разрушение или искусственное удаление надпочечников (адреналэктомия) приводит к быстрой гибели. Эффекты гормонов мозгового слоя надпочечников очень близки к эффектам, возникающим при возбуждении симпатического отдела вегетативной нервной системы, и обе эти системы, каждая своими путями, обеспечивает выживание организма в неблагоприятных условиях существования.
ПОДЖЕЛУДОЧНАЯ ЖЕЛЕЗА
Поджелудочная железа — непарный орган, расположенный между желудком, двенадцатиперстной кишкой и селезенкой. Для нее характерна смешанная секреция. Большая часть железы вырабатывает пищеварительные ферменты, которые в составе сока поджелудочной железы выбрасываются в двенадцатиперстную кишку. В этом заключается внешнесекреторная функция. Между клетками, вырабатывающими пищеварительные ферменты, разбросаны небольшие группы клеток, называемые островками Лангерганса. У человека в поджелудочной железе насчитывают около 2 млн таких островков, в каждый из которых входят три вида клеток: альфа, бета и дельта. Наиболее многочисленны бета-клетки, секретирующие гормон инсулин, меньше альфа-клеток, секретирующих гормон глюкагон, а в дельта-клетках вырабатывается соматостатин, идентичный соматостатину, вырабатываемому в нейронах гипоталамуса. Все гормоны поджелудочной железы по своей химической природе являются пептидами. Для полноценного функционирования эндокринных клеток островков Лангерганса необходим нормальный уровень тиреоидных гормонов, а также кортикостероидов.
Около 60% клеток островков Лангерганса относятся к бета-типу и секретируют инсулин. Инсулин является полипептидом, он состоит из двух цепочек аминокислот, связанных между собой в двух местах. В процессе биосинтеза инсулина в бета-клетках сначала образуется его предшественник — про- инсулин, из середины которого отщепляется часть молекулы, а два оставшихся фрагмента соединяются в двуцепочечную молекулу инсулина.
Биологические эффекты инсулина заключаются в том, что он увеличивает поступление аминокислот, и особенно глюкозы, из крови в клетки различных тканей. Это приводит к усилению энергетического обмена и синтеза белков.
Еще один аспект воздействия инсулина на обмен углеводов состоит в том, что он стимулирует образование из глюкозы основного запасного сахарида нашего организма — гликогена. Гликоген образуется и хранится «на черный день» в печени. Инсулин активирует работу ферментов, соединяющих молекулы глюкозы в полимерную молекулу гликогена, и тормозит действие ферментов, расщепляющих гликоген. Таким образом, после еды, когда уровень глюкозы в крови повышен, секретируемый инсулин способствует быстрому поглощению глюкозы тканями для обеспечения их энергетических нужд и запасанию излишней глюкозы в виде гликогена в печени. В результате уровень глюкозы в крови возвращается к норме и тем самым ликвидируется основной стимул для выброса инсулина из клеток поджелудочной железы, и содержание инсулина в крови также быстро уменьшается до исходного. Помимо этого, инсулин ускоряет поглощение и отложение жиров в жировых депо организма.
Для осуществления своего биологического эффекта инсулин должен связаться с рецептором, входящим в состав клеточной мембраны. Образовавшийся комплекс инсулин — рецептор изменяет активность многих клеточных систем. В итоге содержание специальных белков-переносчиков глюкозы через мембрану возрастает в 5—10 раз, что приводит к увеличению скорости поступления глюкозы из крови в клетки в 20—40 раз.
Секреция инсулина стимулируется повышенной концентрацией глюкозы и аминокислот в крови, а угнетается адреналином, а также глюкагоном и соматостатином.
Около 25% клеток островков Лангерганса относятся к альфа-типу и секретируют глюкагон. Глюкагон — одноцепочечный пептид, состоящий из 29 аминокислотных остатков. По своим биологическим эффектам глюкагон является антагонистом инсулина, повышая содержание глюкозы в крови, хотя он и не действует на поглощение глюкозы тканями. Основной орган-мишень этого гормона — печень. Глюкагон связывается с рецепторами на поверхности клеток печени (гепатоцитов) и стимулирует распад гликогена до глюкозы, в результате чего ее содержание в крови возрастает. Кроме того, глюкагон стимулирует распад жиров и выход продуктов их распада в кровь. Усиленная секреция глюкагона происходит в том случае, когда содержание глюкозы в крови падает и ее не хватает для обеспечения энергетических нужд организма. При высо-
ком содержании глюкозы в крови поступление глюкагона в кровь снижается.
Дельта-клетки островков Лангерганса расположены между альфа-клетками, занимающими периферическую часть островка, и бета-клетками, находящимися в его центральной части. Дельта-клетки секретируют гормон соматостатин, который уже был упомянут при описании гипоталамических гормонов. Выделяясь из клеток, соматостатин осуществляет местное действие, перемещаясь от клетки к клетке, т. е. па- ракринно. Возможно даже, что соматостатин не всегда выходит в межклеточное пространство, а попадает в регулируемые им альфа- и бета-клетки по межклеточным мостикам. Функция соматостатина в поджелудочной железе состоит в торможении секреции как инсулина, так и глюкагона, участвуя тем самым в регуляции углеводного и липидного обмена.
Недостаточная секреция инсулина бета-клетками поджелудочной железы приводит к развитию сахарного диабета. Часто заболевание носит наследственный характер и проявляется до 30 лет на фоне нарастающего снижения активности бета-клеток; но часто диабет поражает и юношеский организм. Иногда причина диабета кроется не в нехватке инсулина, а в снижении числа рецепторов или в снижении чувствительности рецепторов к инсулину.
У здорового человека содержание глюкозы в крови довольно постоянно и составляет примерно 80 мг на 100 мл крови, и, таким образом, в крови каждого человека постоянно циркулирует чайная ложка глюкозы, которую можно моментально использовать. В ответ на поступление глюкозы с пищей из поджелудочной железы в кровь выбрасывается инсулин, обеспечивающий ее потребление тканями и отложение ее в печени. При сахарном диабете инсулина не хватает и глюкоза накапливается в крови. При возрастании ее содержания в крови приблизительно в 2,5 раза глюкоза начинает выводиться из организма с мочой. Таким образом, возникает самый известный симптом диабета — появление сахара в моче, в то время как в тканях организма катастрофически не хватает глюкозы. Высокая концентрация глюкозы в моче приводит к увеличению объема мочи, достигающего 3—4 л, а изредка 8—9 л/сут, вместо 2,0—2,5 л/сут у здорового человека. При этом больной постоянно испытывает чувство жажды и у него повышается аппетит. Так как сахар при диабете не может проникать в ткани, то роль основного источника энергии переходит к жирам. Однако мозг, потребляющий не менее 20% всей энергии, необ-
ходимой организму, может использовать в качестве ее источника исключительно глюкозу. Усиленный распад жиров приводит к образованию вредных продуктов, в частности ацетона, закисляющих кровь. В результате этого дыханию больных диабетом присущ запах «гнилых груш». Происходит постоянное повреждение нейронов, что в тяжелых случаях заканчивается диабетической комой и смертью больного.
Наиболее частыми осложнениями диабета выступают различные поражения нервной системы: нарушается чувствительность периферических нервов; в конечностях возникают чувства слабости, тяжести, жжения; возможны судороги; уменьшается объем мышц конечностей; страдает иннервация внутренних органов. Лечение диабета достаточно сложно, и необходима комплексная терапия, включающая в себя правильную диету, применение инсулина, применение лекарств- стимуляторов бета-клеток, дозированные физические нагрузки. Хорошее знание эндокринологии позволяет врачам поддерживать в работоспособном состоянии больных сахарным диабетом, число которых только в России составляет около 8 млн человек. В развитых странах Европы и Америки распространенность сахарного диабета достигла 6%.
Возможно состояние, причины которого противоположны причинам возникновения сахарного диабета. При опухолях поджелудочной железы может выделяться слишком много инсулина, глюкоза быстро потребляется тканями и ее содержание в крови резко падает. То же самое происходит при передозировке инсулина. В результате нейронам мозга не хватает важнейшего «носителя энергии», и наступает инсулиновый шок, который, если быстро не ввести больному глюкозу, может привести к его гибели.
ЭНДОКРИНОЛОГИЯ РАЗМНОЖЕНИЯ
У человека, как и подавляющего большинства других млекопитающих, выделяют несколько этапов, образующих непрерывный цикл перехода от одного поколения к другому: развитие особи от рождения до полового созревания, образование яйцеклеток и сперматозоидов (гаметогенез), выход гамет из половых желез, оплодотворение, развитие эмбриона, рождение. В обеспечении нормального протекания всех этих процессов важнейшую роль играют гормоны половых, а также многих других эндокринных желез. Кроме того, в процессе разви-
тия зародыша и развития ребенка после рождения участвуют все гормоны, регулируя рост, обмен веществ, иммунитет.
Половые железы (гонады) являются железами смешанной (т. е. и внешней, и внутренней) секреции. Половые железы женщины — яичники выделяют во внешнюю среду яйцеклетки, а во внутреннюю — гормоны (эстрогены и прогестины). Половые железы мужчины — семенники выделяют во внешнюю среду сперматозоиды, а во внутреннюю — гормоны (андрогены). Все эти гормоны имеют стероидную природу и обладают ядерной рецепцией.
Образование и секреция этих гормонов регулируются гонадотропинами аденогипофиза (ФСГ и ЛГ), которые, в свою очередь, находятся под контролем гипоталамического рили- зинг-фактора люлиберина.
Половые гормоны обладают широким спектром биологических эффектов, оказывая на организм и регулирующие, и программирующие, и пермиссивные воздействия.
Семенники — парные органы, расположенные у человека не в полости тела, а в мошонке (рис. 5.12). Вынос семенников за пределы полости тела связан с тем, что для нормального созревания сперматозоидов необходима температура не выше 35 °C, т. е. на 2 °C ниже температуры тела. Развиваясь в брюшной полости, семенники спускаются в мошонку на поздних стадиях созревания плода под влиянием гормона, вырабатываемого плацентой.
Рис. 5.12. Мужская половая система: 1 — мочеиспускательный канал (уретра); 2 — семявыносящий проток; 3 — придаток семенника; 4 — семенник; 5 — мошонка; 6 — половой член; 7 — куперова железа (ее секрет подготавливает уретру к прохождению спермы); 8 — простата (добавляет свой секрет в семенную жидкость); 9 — семенной пузырек
Каждый семенник состоит из множества извитых семенных канальцев, в которых после наступления половой зрелости под действием ФСГ происходит созревание сперматозоидов, причем у многих видов животных этот процесс имеет сезонный характер, а у других видов, в том числе и человека, происходит постоянно. Между семенными канальцами расположены клетки Лейдига, которые являются основным местом секреции мужских половых гормонов — тестостерона и дигидротестостерона — под действием лютеинизирующего гормона (ЛГ). Семенники функционируют в течение всей жизни мужчины, и, хотя с возрастом секреция андрогенов несколько снижается, образование полноценных сперматозоидов продолжается до глубокой старости. Подсчитано, что в течение жизни у мужчины формируется 10й —1012 сперматозоидов.
В крови 98% мужских половых гормонов связывается с особыми белками и только 2% может быстро связываться с клетками-мишенями. У взрослого мужчины в сутки образуется 6—7 мг тестостерона, но при высоких физических нагрузках образование его снижается. Особенно это снижение выражено у бегунов-марафонцев, курсантов военных училищ после кроссов.
Оба мужских половых гормона стимулируют образование сперматозоидов (сперматогенез) и секрецию компонентов спермы, обеспечивающих их жизнеспособность. Кроме того, они по принципу отрицательной обратной связи тормозят секрецию ФСГ и ЛГ клетками аденогипофиза.
Так как секреция люлиберина нейронами гипоталамуса у мужчин происходит импульсно и обычно ночью и рано утром, то и выброс ФСГ и ЛГ из гипоталамуса также подчиняется этому ритму, а следовательно, существуют суточные колебания уровня тестостерона, коррелирующие с содержанием ЛГ в крови. В специальных опытах на мужчинах, у которых искусственно изменяли цикл сон—бодрствование, было показано, что секреция ЛГ и уровень тестостерона зависят именно от режима сна, а не от периода суток.
Как известно, сперматозоиды двигаются при помощи длинного жгутика, причем это движение возможно только в слабощелочной среде, так как в кислой среде сперматозоиды теряют подвижность. Поскольку влагалищные секреты имеют слабокислую реакцию, то для ее нейтрализации семенная жидкость, в которой находятся сперматозоиды, содержит щелочные компоненты. Основной объем семенной жидкости образуется в семенных пузырьках и простате (предстательной железе) (рис. 5.12). Семенная жидкость также содержит пита-
тельные вещества, обеспечивающие существование сперматозоидов. Под действием семенной жидкости кислая среда влагалища становится слабощелочной, что обеспечивает оптимальные условия для продвижения сперматозоидов. Секреция всех необходимых компонентов семенной жидкости железами, расположенными вдоль семенных протоков, стимулируется половыми гормонами, главным образом дигидротестостероном.
Программирующее воздействие мужских половых гормонов чрезвычайно важно во время всего эмбрионального периода созревания организма мальчика. Эти гормоны индуцируют развитие полового члена, семявыносящего протока, семенных пузырьков, простаты, а впоследствии вторичных половых признаков: оволосения лица, низкого голоса и т. д.
Мужские половые гормоны, помимо признаков, связанных с мужским полом, выполняют роль белковых анаболиков, стимулируя синтез белка, в частности мышечных белков, а также ускоряя рост костей. Именно поэтому мужчины, как правило, выше женщин, и масса мышц у них больше.
Андрогены играют чрезвычайно важную роль в формировании и поддержании полового влечения, а также в обеспечении полового поведения. С током крови половые гормоны, главным образом тестостерон, попадают в структуры головного мозга и взаимодействуют с нейронами гипоталамуса, лимбической системы и многих других отделов. Циркуляция андрогенов в крови необходима не только для поддержания либидо, но и является фактором, приводящим к повышенной агрессивности. Для поддержания нормального полового поведения мужчины или самцов других видов млекопитающих нужны очень малые количества тестостерона в крови; если же уровень тестостерона увеличивается, то на поведение это влияет мало, т. е. соблюдается правило «все или ничего». После кастрации уровень андрогенов снижается существенно ниже нормы, что ослабляет либидо, потенцию и агрессивность, хотя в ряде случаев половое влечение и потенция сохраняются у кастратов в течение многих лет. Связь между уровнем тестостерона и агрессивностью детально исследуется в связи с тем, что кастрация или введение блокаторов секреции этого гормона приводит к подавлению неконтролируемых (компульсивных) поступков, которые лежат в основе некоторых форм преступного поведения. Кстати, введение кастратам андрогенов может резко повысить их агрессивность.
Половые гормоны контролируют поведение, постоянно циркулируя в крови. Кроме того, они могут вызывать и программные поведенческие эффекты, влияя на развитие нерв-
ной ткани в определенные периоды жизни человека (во время полового созревания).
У человека встречается целый ряд патологий, связанных с нарушением функционирования системы гипоталамус (люли- берин) — аденогипофиз (ФСГ и ЛГ) — семенники (тестостерон, дигидротестостерон). Гиперфункция семенников, или гипергонадизм, встречается редко, например при опухолях семенников, а клинические проявления усиления эндокринной функции мужских желез возникают только в период полового созревания, и у взрослых мужчин практически не выражены. Однако у мальчиков гипергонадизм приводит к преждевременному половому развитию, характеризующемуся быстрым ростом тела, раннему формированию вторичных половых признаков.
Гораздо чаще, чем гипергонадизм, встречается патологическое состояние, обусловленное недостатком образования мужских половых гормонов и сперматозоидов, т. е. гипогонадизм.
Обычно гипогонадизм сопровождается недостаточным развитием внутренних и (или) наружных половых органов, а также вторичных половых признаков. Различают первичный гипогонадизм, при котором причина болезни кроется в недостаточности люлиберина гипоталамуса или гонадотропинов гипофиза. Возможных причин первичного гипогонадизма несколько: нарушения в числе или строении половых хромосом, врожденное отсутствие яичек или их неопущение из брюшной полости эмбриона в мошонку.
В процессе эволюции животных роль матери в выращивании потомства непрерывно возрастает. У подавляющего большинства рыб и земноводных оплодотворение внешнее (вне организма самки) и развитие потомства часто проходит независимо от родителей, хотя можно привести примеры видов рыб, у которых самцы очень трогательно опекают мальков. У рептилий и птиц оплодотворение внутреннее (внутри организма самки), однако затем самка откладывает яйца, внутри которых происходит развитие зародыша. Большинство рептилий далее не заботится о своем потомстве, хотя опять-таки есть редкие исключения среди питонов, ящериц и крокодилов, охраняющих кладки яиц и заботящихся о потомстве после вылупления. Подавляющее большинство птиц высиживает яйца в течение всего периода инкубации, а затем охраняет и выкармливает птенцов. У млекопитающих оплодотворение и развитие зародыша происходит в организме матери, хотя есть и исключение: клоачные и сумчатые. После рождения дете-
нышей млекопитающие долго заботятся о потомстве, причем некоторые виды — вплоть до полового созревания.
Многообразие и сложность физиологических процессов, обеспечивающих репродуктивную функцию у млекопитающих (и, в частности, у человека), требует совершенной системы регуляции, в том числе и гормональной. Подсчитано, что в управлении половым циклом женщины прямо или опосредованно задействовано не менее десяти гормональных факторов. У самок млекопитающих можно выделить ряд последовательных процессов, обеспечивающих размножение: половое созревание, гаметогенез (созревание яйцеклеток), оплодотворение яйцеклеток, развитие зародыша в матке, роды.
Женские половые железы называются яичниками. Они располагаются в брюшной полости (рис. 5.13). Их внешнесекреторная функция заключается в формировании женских гамет — яйцеклеток. Первичные половые клетки возникают еще на первых неделях эмбриогенеза в огромных количествах — около 7 млн штук. Эти клетки называются оогониями. Часть оогониев превращается в ооциты, которые покрываются одним слоем эпителиальных клеток, и образуется фолликул. Фолликул созревает: эпителиальные клетки разрастаются, формируя многослойный эпителий, затем у фолликула появляется внешняя оболочка. Примерно к 17—20 неделе внутриутробного развития девочки формируется структура яичников, причем корковое вещество яичников состоит из фоллику-
8844552323Рис. 5.13. Женская половая система: 1 — яичник; 2 — эндометрий (железистый слой); 3 — миометрий (мышечный слой); 4 — влагалище; 5 — вульва; 6 — шейка матки; 7 — матка; 8 — яйцевод (фаллопиева труба)
8
8
4
4
5
5
2
3
2
3
лов на разных стадиях их созревания. К моменту рождения в яичниках девочки имеется около одного миллиона фолликулов, но часть из них разрушается, и к моменту появления менструаций в яичниках остается около 400 000 фолликулов. За весь репродуктивный период жизни женщины образуется всего 200—400 зрелых яйцеклеток, способных к оплодотворению.
В течение каждого цикла идет одновременное созревание многих фолликулов, но только один из них доходит до конечной стадии и превращается в граафов пузырек — зрелый фолликул, представляющий собой пузырек, окруженный оболочкой и заполненный жидкостью, в которой находится яйцеклетка.
По мере созревания фолликулов происходит их разрыв (овуляция'), и яйцеклетка, выйдя из граафова пузырька, захватывается яйцеводами (фаллопиевыми трубами), по которым продвигается в матку. Если в яйцеводе ядро яйцеклетки сливается с ядром сперматозоида (оплодотворение), то начинается процесс развития зародыша, происходящий затем в матке.
Как правило, из тысяч ооцитов в каждом менструальном цикле образуется только один граафов пузырек, но в одном цикле из двухсот (приблизительно) по неясным причинам одновременно овулируют две яйцеклетки, что в случае оплодотворения приводит к образованию двух разнояйцовых близнецов.
Процесс оогенеза — превращения оогония в ооцит, формирование фолликула и — через ряд стадий — образование граафова пузырька с яйцеклеткой стимулируется фолликулостимулирующим гормоном гипофиза (ФСГ), который секретируется под воздействием люлиберина гипоталамуса.
Оболочка фолликула состоит из нескольких слоев клеток, причем внутренний из них и является местом, где секретируются эстрогены, главный из которых — эстрадиол. По мере созревания фолликула концентрация эстрадиола в крови возрастает и непосредственно перед овуляцией достигает такого уровня, который повышает выброс ФСГ и ЛГ. Именно под влиянием лютеинизирующего гормона гипофиза (ЛГ) происходит овуляция. На месте лопнувшего граафова пузырька после овуляции начинается образование желтого тела, клетки которого секретируют другой женский половой гормон — прогестерон. Этот процесс также стимулируется ЛГ. Прогестерон обеспечивает подготовку организма женщины к беременности. Во-первых, он тормозит секрецию ФСГ и ЛГ для того, чтобы препятствовать созреванию следующего фолликула. Во-вторых, под влиянием прогестерона происходят измене-
ния во внутреннем, железистом слое матки для того, чтобы матка могла принять оплодотворенную яйцеклетку. Но если оплодотворения все-таки не произошло, то желтое тело дегенерирует, секреция прогестерона резко снижается, а увеличенный внутренний слой матки в отсутствии большого количества эстрогена и прогестерона разрушается и частично отторгается. Происходит менструация. В последние годы показано, что клетки желтого тела, помимо прогестинов, секретируют пептидный гормон — релаксин, участвующий в процессе родов, расслабляя связки таза и шейку матки.
Кроме контроля за менструальным циклом и родами, женские половые гормоны ответственны за развитие вторичных половых признаков, формирование скелета и обмена веществ по женскому типу. Эстрогены обладают также анаболическими эффектами, хотя и менее выраженными, чем у андрогенов. Они усиливают созревание костной ткани, с чем связано прекращение роста в период полового созревания. Эстрогены снижают уровень холестерина в крови, способствуют свертыванию крови.
Эндокринная регуляция половых функций у женщин многоступенчата и сложна, поэтому описано множество заболеваний, связанных с нарушениями деятельности того или иного ее звена. Основным симптомом снижения функционирования системы гипоталамус — аденогипофиз — яичники является аменорея — прекращение менструаций. Аменорея может быть следствием генетических нарушений, недоразвития яичников, избыточной секреции андрогенов, заболеваний гипота- ламо-гипофизарной области. Иногда аменорея развивается в результате психических травм, депрессии, больших физических нагрузок (аменорея путешественниц).
Наблюдаются случаи усиленной секреции женских половых гормонов, например при разрастании тканей, образующих фолликулы. Такие опухоли, называемые фолликулома- ми, развиваются, как правило, у взрослых женщин. Клетки фолликулом секретируют избыток эстрогенов, что приводит к целому ряду нарушений, включая и повышенное половое влечение. Подобная опухоль в детском возрасте вызывает преждевременное половое созревание и раннее прекращение роста.
Возможность наступления беременности обеспечивается целым рядом гормонов, начиная от воздействия эстрогенов на слизистую оболочку шейки матки, в результате чего в матку и далее могут проникнуть лишь самые жизнеспособные сперматозоиды, и кончая описанными выше изменениями в эндометрии матки, позволяющими эмбриону нормально развиваться.
Прогестерон и эстрадиол усиливают сокращения яйцеводов, способствуя продвижению оплодотворенной яйцеклетки в матку. Эстрогены, прогестин, тироксин и релаксин необходимы для того, чтобы развивающийся зародыш мог внедриться (имплантироваться) в эндометрий матки и образовать плаценту, через которую осуществляется связь зародыша с материнским организмом. Одна из оболочек образующейся плаценты уже через день после имплантации зародыша начинает секретировать хорионический гонадотропин (ХГТ), гормон, отчасти сходный по строению с ЛГ. Функция ХГТ — стимуляция выделения прогестерона желтым телом, для того чтобы не произошло отторжения эндометрия, а вместе с ним и самого зародыша. Второй гормон плаценты — плацентарный лактоген. Так как в период беременности секреция ФСГ и ЛГ гипофизом матери снижена, то гормоны плаценты — ХГТ и плацентарный лактоген — принимают на себя роль этих гормонов.
Для организма матери беременность осложняется тем, что в матке развивается «чужеродный организм», обладающий целым рядом генетических компонентов отца. Одним из факторов, смягчающих иммунную реакцию организма матери, является плацентарный лактоген, способствующий, таким образом, нормальному продолжению беременности. У человека к началу второй трети беременности плацента секретирует весь набор половых гормонов в таких соотношениях, которые обеспечивают протекание беременности, но к концу беременности секреция прогестерона, подавляющего сокращения мышечного слоя матки — миометрия, снижается. Сильно утолщенный миометрий начинает регулярно сокращаться, готовясь к процессу родов.
Беременность у женщины продолжается 280 дней, или 40 недель. При достижении плодом определенных размеров, уже несовместимых с существованием в утробе матери, возникает «фетальный стресс». Пусковым фактором, вызывающим начало родов, является, по-видимому, формирование активности системы гипоталамус — гипофиз у плода. Аденогипофиз плода начинает выделять АКТГ, что приводит к секреции гидрокортизона корой надпочечников. С током крови гидрокортизон попадает в плаценту, снижая в ней секрецию прогестерона и стимулируя выброс эстрогенов, которые, в свою очередь, повышают чувствительность миометрия матки к окситоцину. Сокращения матки под действием окситоцина смещают плод к шейке матки, а давление на шейку матки запускает рефлекторный выброс окситоцина из нейрогипофиза матери
(рефлекс Фергюссена). Таким образом, запускается механизм положительной обратной связи. Под действием релаксина расслабляются связки таза, раскрывается шейка матки, и регулярный выброс порций окситоцина вызывает новые сокращения миометрия, в результате происходит полное изгнание плода, а затем и плаценты. После этого рефлекс Фергюссена прерывается, и матка постепенно возвращается в состояние относительного покоя.
В течение беременности целый ряд гормонов (прогестерон, эстроген, пролактин, глюкокортикоиды, тироксин, инсулин) стимулирует развитие молочных желез. После выхода плаценты, клетки которой секретировали прогестерон и эстрогены, уровень этих гормонов в материнской крови резко падает, а уровень пролактина остается высоким, и теперь, после прекращения подавляющего действия эстрогенов, начинается выработка молока в молочных железах. Этот процесс называется лактацией.
Период лактации сопровождается постоянным высвобождением пролактина, что по принципу отрицательной обратной связи приводит к усилению секреции дофамина, играющего роль пролактостатина. Но дофамин, выделяясь из клеток гипоталамуса, тормозит секрецию люлиберина, что, в свою очередь, снижает секрецию ФСГ и ЛГ клетками аденогипофиза. Из-за снижения уровня и нарушения ритмичности выделения ФСГ тормозится созревание фолликулов и отсутствует менструальный цикл. Таким образом, вероятность беременности в период лактации несколько снижена, но все же возможна.
ЭПИФИЗ, ИЛИ ШИШКОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА
Эпифиз — маленькая железа, массой всего 170 мг, являющаяся выростом крыши третьего желудочка мозга и расположенная между верхними буграми четверохолмия. С мозгом эпифиз соединен полой ножкой, в которую заходит карман третьего желудочка. Эпифиз изучен явно недостаточно. Рене Декарт считал эпифиз вместилищем души, однако Галлер полагал, что он слишком мал для этого. Вольтер писал о том, что эпифиз — это вожжи для управления большими полушариями мозга. Мажанди думал, что эпифиз — это клапан для регуляции тока цереброспинальной (спинномозговой) жидкости.
Эпифиз обладает светочувствительностью, и именно через него режим освещенности влияет на циркадные (суточные)
ритмы у филогенетически древних видов, например рептилий. У некоторых древних рептилий эпифиз превращается в «теменной глаз», и над ним возникает теменное отверстие в черепе. Кожа, покрывающая это отверстие, лишена пигментов. Очевидно, что у некоторых низших позвоночных клетки эпифиза были фоторецепторами, однако до сих пор не ясно, является ли эпифиз «попыткой создания» эволюционно нового органа — третьего глаза или, наоборот, является рудиментом ранее успешно функционировавших органов, подвергшихся дегенерации. Во всяком случае, ни у одного из существующих в настоящее время животных теменной глаз не действует как орган зрения.
У млекопитающих эпифиз также участвует в регуляции циркадных ритмов. В эпифиз по нервным путям непрерывно поступает информация о степени освещенности, ритмичном чередовании дня и ночи.
Гормон эпифиза — мелатонин по своему химическому строению является модификацией медиатора ЦНС серотонина, который в свою очередь синтезируется из аминокислоты триптофана. Секреция мелатонина уменьшается на свету и усиливается в темноте. Показано увеличение секреции этого гормона у слепых людей.
Мелатонин обладает мембранной рецепцией и действует через систему G-белков на активность аденилатциклазы, подавляя ее.
Под воздействием мелатонина происходят изменения в обмене черного пигмента — меланина, локализованного в коже, радужке, сетчатке, некоторых структурах мозга, в результате кожа светлеет, повышается чувствительность фоторецепторов сетчатки.
Таким образом, в отношении действия на обмен меланина мелатонин является антагонистом гормона гипофиза МСГ, вызывающего потемнение кожи. Описан целый ряд воздействий мелатонина на гипоталамо-гипофизарную систему и ряд периферических эндокринных желез, причем эти эффекты выражаются в подавлении секреции гормонов, усиливающих обмен веществ и стимулирующих рост. Среди этих гормонов — тиролиберин, люлиберин, тироксин, инсулин, гормоны коры надпочечников, половые гормоны. Вместе с нервными влияниями, осуществляемыми некоторыми ядрами гипоталамуса, мелатонин участвует в обеспечении суточных ритмов человека, в том числе и ритмов секреции ряда гормонов. Мелатонин — антигонадотропный гормон. Его секреция снижается при по-
ловом созревании, что стимулирует замыкание системы гипоталамус — гипофиз — гонады.
Мелатонин обладает целым рядом воздействий на функции мозга. Так, увеличенное образование и секреция его в темноте может приводить к депрессии у лиц, вынужденных бодрствовать и работать в темное время суток. Повышенный уровень мелатонина индуцирует сонливость, вялость, может вызвать длительный глубокий сон.
По-видимому, угнетая синтез некоторых факторов, усиливающих рост тканей, ускоряющих деление клеток, мелатонин может тормозить развитие опухолей.
Нарушения в функционировании эпифиза наблюдаются относительно редко. Однако при возникновении опухоли эпифиза возникает закупорка канала, соединяющего третий и четвертый мозговые желудочки, возрастает внутричерепное давление, ухудшается зрение, иногда — слух. И хотя хирургическое удаление опухоли эпифиза трудновыполнимо, это единственный метод лечения.
ТИМУС
Тимус (вилочковая железа) — непарный орган, состоящий из двух долек и расположенный за грудиной на средостении. Наибольшие размеры тимус имеет в первые годы жизни человека, достигая максимума в период полового созревания. При наступлении половой зрелости размеры этой железы уменьшаются, и она превращается в небольшой орган, сохраняя, однако, способность к увеличению своей массы. Тимус — важный орган, обеспечивающий оптимальную работу иммунной системы. Эта железа, помимо секреторной функции, участвует в образовании клеток, вырабатывающих антитела к чужеродным болезнетворным агентам, злокачественным клеткам. Кроме негормональной функции, клетки тимуса вырабатывают и выделяют в кровь целый набор пептидных гормонов: тимозинов и тимопоэтинов. Тимозины и тимопоэтины стимулируют иммунный ответ организма на разных уровнях, а также обладают целым рядом воздействий на эндокринную и нервную системы. В частности, тимозины усиливают положительные эмоции, повышают у обезьян дружелюбие и число зоосо- циальных контактов, а тимопоэтины снижают возбудимость нервных центров, способствуют расслаблению мышц, вызывают сонливость. Еще один гормон тимуса — тималин, увеличи-
вая концентрацию ионов кальция в тканях, повышает возбудимость нервной системы, усиливает сокращения мышц, улучшает обучение.
Избыток гормонов тимуса, возникающий при разрастании тканей этой железы, может привести к крайне негативным последствиям — возникновению аутоиммунных заболеваний. Эти заболевания характеризуются патологическим усилением иммунитета, в результате чего происходит ошибочное уничтожение собственных белковых структур организма, необходимых для поддержания жизнедеятельности.
Примером таких заболеваний может служить миастения, при которой антитела уничтожают рецепторы к ацетилхолину в мышечных клетках и нарушается нервно-мышечная передача. В результате сокращения мышцы ослабевают, и человек может погибнуть из-за прекращения сокращений мышц грудной клетки, обеспечивающих дыхательные движения. Другой пример аутоиммунного заболевания — системная красная волчанка (болезнь, при которой разрушаются белки соединительной ткани). Раньше для лечения аутоиммунных заболеваний рекомендовалось хирургическое удаление тимуса. В настоящее время разработаны лекарственные методы лечения такого рода патологий.
ПРОСТАГЛАНДИНЫ
Простагландины — вещества, которые образуются из арахидоновой кислоты, относящейся к классу ненасыщенных жирных кислот. Изначально простагландины были выделены из семенной жидкости, что и обусловило их название. К настоящему времени известны представители как минимум четырех групп простагландинов, и обнаружены они практически во всех тканях организма человека. Время жизни простагландинов очень мало и составляет всего несколько секунд, так как они разрушаются, проходя с током крови через печень, и особенно через легкие. Эти вещества не могут циркулировать по кровотоку и оказывают свои эффекты непосредственно на те ткани, где они образуются. Поэтому относить их к гормонам можно лишь с натяжкой и правильнее называть их гисто- гормонами или паракринными факторами.
Механизмы физиологических эффектов простагландинов различных групп отличаются друг от друга. Одни из них активируют аденилатциклазу, другие — повышают проницаемость мембраны для ионов кальция.
Роль простагландинов в регуляции функций организма очень велика, так как многие гормоны действуют на ткани именно через усиление или подавление синтеза простагландинов.
Простагландины, образующиеся во внутренней выстилке сосудов, препятствуют образованию тромбов, улучшают кровоток в сердечной мышце, они способствуют поддержанию сердечного ритма и улучшают сократимость сердечной мышцы. Вместе с тем простагландины другого класса, образующиеся в клетках крови, наоборот, способствуют свертыванию крови и образованию тромбов при повреждении сосудов.
Простагландины участвуют в процессах воспаления и аллергии. Терапевтическое действие аспирина как раз и объясняется тем, что он подавляет синтез простагландинов, тормозя воспаление и снижая температуру тела. Простагландины снижают реакцию организма на стрессирующие воздействия, тормозят выделение желудочного сока, участвуют в регуляции деятельности половой системы.
РЕГУЛЯТОРНЫЕ ПЕПТИДЫ
Важнейшую роль в химической передаче информации играют регуляторные пептиды (РП). Они представляют собой короткие цепочки, включающие от 2 до 50—70 аминокислотных остатков, а более крупные пептидные молекулы принято относить к регуляторным белкам. РП синтезируются во всех органах и тканях организма, но практически все они так или иначе влияют на деятельность ЦНС. Многие РП вырабатываются и нейронами, и клетками периферических тканей. К настоящему времени обнаружено и описано не менее сорока семейств РП, каждое из которых включает от двух до десяти представителей пептидов.
РП нельзя относить исключительно к гормонам". Одни из них являются медиаторами или соседствуют в синаптических окончаниях с классическими медиаторами непептидной природы, выделяясь как совместно, так и раздельно. Другие РП действуют на группы клеток, расположенные вблизи от места секреции, т. е. являются модуляторами. Третьи РП распространяются на большие расстояния, регулируя функции различных систем организма, — это классические гормоны. Примерами таких гормонов могут быть описанные выше окситоцин, вазопрессин, АКТГ, либерины и статины гипоталамуса, но для РП характерно воздействие не на один орган-мишень,
а одновременно на многие системы организма. Вспомните о том, что стимулятор сокращения гладкой мускулатуры окситоцин одновременно является блокатором памяти, а регулятор функций коры надпочечников — АКТГ — усиливает внимание, стимулирует обучение, подавляет потребление пищи и половое поведение. Свойство РП одновременно влиять на целый ряд физиологических процессов получило название полимодальности. Все РП в той или иной степени обладают поли- модальными эффектами. В том, что нейропептиды обладают множественными воздействиями на организм, заключен глубокий смысл. В случае возникновения какой-либо жизненной ситуации, требующей сложной ответной реакции организма, РП, действуя на все системы, позволяют оптимальным образом отреагировать на воздействие. Например, небольшой РП таф- цин постоянно вырабатывается в кровяном русле. Тафцин — мощный стимулятор иммунитета, однако одновременно он действует и на ряд структур мозга, оказывая психостимуляционный эффект. Таким образом, в опасной ситуации усиленная выработка тафцина приводит и к улучшению работы мозга, и к усилению иммунитета. Первое воздействие тафцина позволит лучше среагировать на опасность и попытаться избегнуть ее или успешно противостоять ей, а усиление иммунитета необходимо для того, чтобы уменьшить последствия травм, полученных при контакте с врагом или жертвой.
Велика роль РП в реакции организма на неблагоприятные воздействия. Выше уже были представлены сведения о пептидах гипоталамуса и гипофиза и их значении в формировании реакции на стрессогенные воздействия. Кроме того, защитным воздействием при стрессе обладают эндогенные пептидные опиоиды, к которым относят пептиды нескольких групп: эндорфины, энкефалины, динорфины и др. Структура пептидных опиоидов такова, что они могут взаимодействовать с опиоидными рецепторами различных классов, расположенных на наружной мембране клеток практически всех органов, и в том числе с рецепторами нейронов. Эти пептиды способствуют созданию положительных эмоций, хотя в больших дозах могут подавлять двигательную активность и исследовательское поведение.
Связываясь с опиатными рецепторами, опиоидные пептиды приводят к снижению болевых ощущений, что очень важно при воздействии на организм неблагоприятных факторов.
Однако можно привести примеры других регуляторных пептидов, которые являются медиаторами проведения информации от болевых рецепторов в мозг. Усиленная выработка
таких пептидов в организме или их введение в организм извне приводит к усилению болевых ощущений.
Обнаружено, что целый ряд РП выступают как факторы, регулирующие цикл сон — бодрствование, причем одни пептиды способствуют засыпанию и увеличивают продолжительность сна, а другие, напротив, поддерживают мозг в активном состоянии.
Как увеличение, так и уменьшение выброса регуляторных пептидов может лежать в основе целого ряда патологических состояний, в том числе связанных с нарушениями функций мозга. Выше уже говорилось о том, что тиреолиберин — эффективный антидепрессант, но в больших количествах он может привести к возникновению маниакальных состояний. Мелатонин, напротив, фактор, способствующий возникновению депрессии.
Несомненно, что нарушение в обмене некоторых РП лежит в основе заболевания шизофренией. Так, у больных в крови заметно повышен уровень некоторых опиоидных пептидов, а пептиды других классов (холецистокинин, дез-тирозил-гам- ма-эндорфин) обладают явным антипсихотическим эффектом.
Имеются сведения о том, что избыток некоторых РП может провоцировать судорожные состояния, тогда как другие РП обладают противосудорожными эффектами.
Очень велика роль РП и рецепторов к ним в генезе таких распространенных в наше время патологических состояний, как алкоголизм и наркомания. Ведь вводимые наркоманами в организм морфин и его производные взаимодействуют именно с теми рецепторами, которые у здорового человека необходимы для нормальной работы системы эндогенных пептидных опиоидов. Поэтому для лечения наркоманов, в частности, применяются блокаторы опиатных рецепторов.
В настоящем пособии мы не имеем возможности подробнее описать значение РП для нормального существования организма, однако важно понимать, что все функции мозга находятся под постоянным контролем пептидной системы организма, сложность которой мы только начинаем понимать.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Альберте Б., БрейД., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. — М., 1994.
БаклД. Гормоны животных. — М., 1986.
Балаболкин М. И. Эндокринология. М., 1998.
БатуевА.С. Высшая нервная деятельность. — С.-Пб., 2002.
Беспалов А. Ю., ЗвартауЭ.Э. Нейропсихофармакология антагонистов NMDA-рецепторов. — С.-Пб., 2000.
Бехтерева Н. П. Здоровый и больной мозг человека. — Л., 1980.
Биохимия мозга/Под ред. И. П. Ашмарина и др. — С.-Пб., 1999.
БлумФ., ЛейзерсонА., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение. — М., 1988.
Воронин Л. Г. Физиология высшей нервной деятельности. — М., 1979.
Глейтман Г., ФринлундА., РайсбергД. Основы психологии. — С.-Пб., 2001.
Годфруа Ж. Что такое психология: В 2 т. — М., 1992.
Грин Н„ СтаутУ., Тейлор Д. Биология: В 3 т. — М., 1990.
Данилова Н. Н. Психофизиология. — М., 1998.
Зорина 3. А., Полетаева И. И. Элементарное мышление животных. — М., 2001.
Зорина 3. А., Полетаева И. И., Резникова Ж. И. Основы этологии и генетики поведения. — М., 1999.
Крылова Н. В., Некрепко И. А. Мозг и проводящие пути. — М., 2002.
Крылова Н. В., Некрепко И. А. Черепные нервы. — М., 2000.
ЛейкокД. Ф., Вайс П. Г. Основы эндокринологии. — М., 2000.
Лоренц К. Агрессия. — М., 1994.
Мак-Фарленд Д. Поведение животных. — М., 1988.
Машковский М.Д. Лекарственные средства: В 2 т. — М., 2002.
Механизмы деятельности мозга человека. Ч. 1. Нейрофизиология человека/Под ред. Н. П. Бехтеревой. — Л., 1988.
Механизмы памяти/Под ред. Г. А. Вартаняна. — Л., 1987.
Милнер П. Физиологическая психология. — М., 1973.
Начала физиологии/Под ред. А. Д. Ноздрачева. — С.-Пб., 2002.
Основы психофизиологии/Под ред. Ю. И. Александрова. — М., 1997.
Павлов И. П. Двадцатилетний опыт изучения высшей нервной деятельности (поведения) животных. — М., 1973.
Розен В. Б. Основы эндокринологии. — М., 1994.
Роуз С. Устройство памяти. — М., 1995.
Сапин М.Р., Билич Г. Л. Анатомия человека: В 2 т. — М., 1996.
Сергеев П. В., Шимановский Н. Л„ Петров В. И. Рецепторы физиологически активных веществ. — Волгоград, 1999.
Физиология высшей нервной деятельности. 4.1. Основные закономерности и механизмы условнорефлекторной деятельности/Под ред. Э. А. Асратяна. — М., 1970.
Физиология человека/Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса: ВЗт. — М., 1996.
Хайдн Р. Поведение животных. — М., 1975.
Хухо Ф. Нейрохимия. — М., 1990.
Циркин В. И., Трухина С. И. Физиологические основы психической деятельности и поведения человека. — Н. Новгород, 2001.
Ченцов Ю. С. Общая цитология. — М., 1984.
Шульговский В. В. Физиология центральной нервной системы. — М., 1997.
Шульговкий В. В. Основы нейрофизиологии. — М., 2000.
Дубинин, Вячеслав Альбертович
Регуляторные системы организма человека: Учебное пособие для студентов вузов обучающихся по направлению подготовки 510600 Биология и биологич/ Владислав Иванович Сивоглазов, Василий Васильевич Каменский, Михаил Романович Сапин. - М.: Дрофа, 2003.- 368 с. : ил.
ISBN 5—7107—6073 —0, 7000 экз.
В пособии на современном уровне, но в доступной для читателя форме изложены основы знаний по анатомии нервной системы, нейрофизиологии и нейрохимии (с элементами психофармакологии), физиологии высшей нервной деятельности и нейроэндокринологии. Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 510600 Биология, биологическим, а также медицинским, психологическим и другим специальностям
Анатомия и гистология человека
ББК 28 ,706я73
УДК 612.015
Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ - 5с.
ВВЕДЕНИЕ - 6-8с.
ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ - 9-39с.
Клеточная теория - 9с.
Химическая организация клетки -10-16с.
Строение клетки - 17-26с.
Синтез белков в клетке - 26-31с.
Ткани: строение и функции - 31-39с.
СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ - 40-96с.
Рефлекторный принцип работы мозга - 40-42с.
Эмбриональное развитие нервной системы - 42-43с.
Общее представление о строении нервной системы - 43-44с.
Оболочки и полости центральной нервной системы - 44-46с.
Спинной мозг - 47-52с.
Общее строение головного мозга - 52-55с.
Продолговатый мозг - 56-57с.
Мост - 57-60с.
Мозжечок - 60-62с.
Средний мозг - 62-64с.
Промежуточный мозг - 64-68с.
Конечный мозг - 68-74с.
Проводящие пути головного и спинного мозга - 74-80с.
Локализация функций в коре полушарий большого мозга - 80-83с.
Черепные нервы - 83-88с.
Спинномозговые нервы - 88-93с.
Автономная (вегетативная) нервная система - 93-96с.
ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ - 97-183с.
Синаптические контакты нервных клеток - 97-101 с.
Потенциал покоя нервной клетки - 102-107с.
Потенциал действия нервной клетки -108-115с.
Постсинаптические потенциалы. Распространение потенциала действия по нейрону - 115-121с.
Жизненный цикл медиаторов нервной системы -121-130с.
Ацетилхолин - 131-138с.
Норадреналин - 138-144с.
Дофамин - 144-153с.
Серотонин - 153-160с.
Глутаминовая кислота (глутамат) - 160-167с.
Гамма-аминомасляная кислота - 167-174с.
Другие медиаторы-непептиды: гистамин, аспарагиновая кислота, глицин, пурины - 174-177с.
Медиаторы-пептиды - 177-183с.
ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ - 184-313с.
Общие представления о принципах организации поведения.
Компьютерная аналогия работы центральной нервной системы - 184-191С.
Возникновение учения о высшей нервной деятельности. Основные понятия физиологии высшей нервной деятельности - 191-200с.
Разнообразие безусловных рефлексов - 201-212с.
Разнообразие условных рефлексов - 213-223с.
Неассоциативное обучение. Механизмы кратковременной и долговременной памяти - 223-241с.
Безусловное и условное торможение - 241-251С.
Система сна и бодрствования - 251-259с.
Типы высшей нервной деятельности (темпераменты) - 259-268с.
Сложные типы ассоциативного обучения животных - 268-279с.
Особенности высшей нервной деятельности человека. Вторая сигнальная система - 279-290с.
Онтогенез высшей нервной деятельности человека - 290-296с.
Система потребностей, мотиваций, эмоций - 296-313с.
ЭНДОКРИННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ - 314-365с.
Общая характеристика эндокринной системы - 314-325с.
Гипоталамо-гипофизарная система - 325-337с.
Щитовидная железа - 337-341с.
Паращитовидные железы - 341-342с.
Надпочечники - 342-347с.
Поджелудочная железа - 347-350с.
Эндокринология размножения - 350-359с.
Эпифиз, или шишковидная железа - 359-361с.
Тимус - 361-362с.
Простагландины - 362-363с.
Регуляторные пептиды - 363-365с.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ - 366-367с.