Доставка информации в нервную систему и обратно

Нервная система позволяет нам реагировать на афферентные (входящие) сенсорные стимулы, улавливая их и передавая информацию о них в головной мозг. Головной мозг интерпретирует информацию, генерируя эфферентные (исходящие) сигналы, которые заставляют мышцы сокращаться, создавая поведение.

Пока мы рассмотрели только центральное звено данного процесса — то, как нейроны обмениваются информацией, интегрируют информацию и генерируют потенциалы действия. Теперь мы узнаем, что происходит с информацией в начале и в конце пути.

Чтобы восполнить пробелы, мы расскажем, как сенсорный стимул создает нервный импульс и как нервный импульс вызывает сокращение мышц. Важную роль в этих процессах играют ионные каналы, однако ионные каналы в мышцах отличаются от тех, которые мы уже изучили.

а) Как сенсорные стимулы создают потенциалы действия. Мы получаем информацию о мире через тактильные ощущения (прикосновение и равновесие), слуховые ощущения (слух), зрительные ощущения (зрение) и химические чувства (вкус и обоняние). Каждая из таких сенсорных модальностей выполняет одну или несколько функций. Например, помимо прикосновения к тактильным ощущениям относятся ощущение давления, мышечно-суставное чувство, температурная чувствительность, боль и зуд.

Рецепторы слуховой системы, отвечающие за слух и равновесие, представляют собой видоизмененные рецепторы прикосновения. Зрительная система содержит световые и цветовые рецепторы, а вкусовые и обонятельные рецепторы реагируют на множество различных химических соединений.

Для обработки всего этого разнообразия сенсорных сигналов необходимо огромное количество сенсорных рецепторов. Нейроны всех сенсорных систем имеют одну общую черту: передачу информации запускают ионные каналы. Они запускают цепочку событий, приводящую к созданию нервного импульса.

В качестве примера давайте рассмотрим ощущение прикосновения. Каждый волосок человеческого тела позволяет человеку почувствовать даже небольшую вибрацию. Вы можете убедиться в этом сами, выбрав один волосок на своей руке и согнув его. Если вы проявите достаточное терпение, то узнаете, что некоторые волоски чувствительны к смещению только в одном направлении, а другие — к смещению в любом направлении. Чем же можно объяснить такую чувствительность?

Вокруг основания каждого волоска обернут дендрит чувствительного нейрона. Когда вы сгибаете волосок или применяете какое-либо другое механическое воздействие, обернутый вокруг волоска дендрит растягивается (рис. 1).

Рисунок 1. Тактильная стимуляция. Активация тактильного рецептора с помощью пера обеспечивает формирование передаваемого в мозг нервного импульса

Благодаря механическому воздействию в мембране дендрита открываются активируемые растяжением ионные каналы, которые обеспечивают приток ионов натрия, деполяризующий мембрану дендрита до порогового уровня. По достижении порогового значения потенциалзависимые натриевые и калиевые каналы генерируют нервный импульс, который передает информацию о прикосновении в ваш головной мозг.

Другие типы сенсорных рецепторов используют аналогичные механизмы трансдукции (преобразования) энергии сенсорного стимула в активность нервной системы. При смещении волосков рецепторы слуховой системы, которые отвечают за слух и равновесие, точно таким же образом открывают активируемые растяжением ионные каналы. В зрительной системе фотоны (частицы электромагнитного излучения) сталкиваются с белками-опсинами рецепторов специализированных клеток глаза. Результирующие химические изменения активируют ионные каналы мембран нейронов.

Молекула содержащегося в воздухе пахучего вещества попадает на обонятельный рецептор и взаимодействует с ним, открывая хемо-зависимые ионные каналы. Если ткань повреждена, поврежденные клетки высвобождают вещества, активирующие каналы болевого нервного окончания. Все дело в том, что процесс передачи информации во всех сенсорных системах запускают ионные каналы.

б) Как нервные импульсы создают движение. Что же происходит в конце путешествия по нервной системе? Как мозг, получив и обработав информацию, генерирует ответ, обеспечивающий мышечные сокращения, необходимые для формирования поведения? Поведение — это движение, а для производства движения необходимы мышечные сокращения. За активацию мышц отвечают мотонейроны спинного мозга. В отсутствие таких мотонейронов движение становится невозможным и мышцы атрофируются — об этом можно прочитать ниже.

Принцип 1. Нервная система генерирует движение в ответ на созданную мозгом субъективную картину мира.

Мотонейроны передают нервные импульсы на синапсы клеток мышечной ткани. Такие синапсы играют важную роль в сокращении мышц. Аксон каждого мотонейрона образует одно или несколько синаптических соединений с иннервируемой мышцей (рис. 2). Терминаль аксона соприкасается со специализированной областью мембраны мышечного волокна, называемой концевой пластинкой, высвобождая нейромедиатор ацетилхолин.

Ацетилхолин не проникает внутрь мышечного волокна — вместо этого он связывается с лиганд-зависимыми ионными каналами концевой пластинки (рис. 2). Открываясь, такие ионные каналы обеспечивают потоки ионов натрия и калия через мембрану мышечного волокна, достаточные, чтобы деполяризовать мышечное волокно до порогового значения и создать потенциал действия. Да, чтобы сократиться, мышцы генерируют потенциалы действия. По достижении порогового значения мембранного потенциала открываются расположенные поблизости потенциалзависимые ионные каналы. Они, в свою очередь, создают потенциал действия на мышечном волокне, точно так же как на нейроне.

Рисунок 2. Сокращение мышцы. Когда коллатерали аксона мотонейрона соприкасаются с концевой пластинкой мышечного волокна (А), ацетилхолин связывается с рецепторными фрагментами лигандзависимых ионных каналов концевой пластинки, открывая ионные каналы (Б). Такие крупные мембранные каналы одновременно обеспечивают приток ионов натрия и отток ионов калия, создавая ток, который активирует потенциалзависимые ионные каналы. Они, в свою очередь, генерируют потенциалы действия, заставляя мышцу сокращаться

Лигандзависимые каналы концевых пластинок мышечных волокон отличаются от ионных каналов аксонов и дендритов. Одна концевая пластинка крупнее, чем два натриевых и два калиевых канала нейрона, вместе взятые. То есть когда лигандзависимые каналы открываются, они обеспечивают одновременный приток ионов натрия и отток ионов калия через одну и ту же пору. Для деполяризации концевой пластинки и активации соседних потенциалзависимых ионных каналов на мембране мышечного волокна необходим выброс достаточного количества ацетилхолина.

В случае блокировки ацетилхолиновых рецепторов концевой пластинки мышечного волокна выброс мотонейроном ацетилхолина не приводит к деполяризации. Это препятствует сокращению мышц при таких заболеваниях, как аутоиммунная миастения гравис. У пациентов с этим заболеванием тимус (вилочковая железа), железа иммунной системы, которая в норме вырабатывает антитела для борьбы с чужеродными агентами вроде вирусов, вырабатывает антитела, связывающие ацетилхолиновые рецепторы мышечных волокон, что вызывает мышечную слабость и быструю утомляемость (рис. 3).

Рисунок 3. Миастения гравис. Когда пациентка пытается посмотреть вверх (1), ее веки слабеют и опускаются (2, 3). После нескольких минут отдыха пациентка снова может нормально открыть глаза (4)

В отличие от PC аутоиммунная миастения гравис обычно неплохо лечится препаратами, которые подавляют иммунную систему или ингибируют распад ацетилхолина, удлиняя период воздействия медиатора. Другой способ лечения миастении гравис — удаление тимуса (тимэктомия).

Действием ионных каналов можно объяснить множество событий в нервной системе. Некоторые ионные каналы создают мембранный потенциал. Другие обеспечивают создание градуальных потенциалов. Ионные каналы иных типов запускают потенциал действия. Сенсорные стимулы активируют ионные каналы нейронов, создавая нервный импульс, который, в свою очередь, активирует ионные каналы мотонейронов, обеспечивая сокращение мышц.

Такое разнообразие выполняющих различные функции ионных каналов возникло в процессе эволюции, с появлением новых видов животных и новых форм поведения. В этой главе описаны не все типы ионных каналов, встречающиеся на мембранах нервных клеток, однако о некоторых из них можно прочитать в отдельных статьях на сайте - просим пользоваться формой поиска выше.

в) Клинические аспекты. Боковой амиотрофический склероз (БАС). В 1869 г. французский врач Жан-Мартен Шарко впервые описал боковой амиотрофический склероз (БАС; «амиотрофический» значит «вызывающий мышечную слабость»; «боковой склероз» значит «затвердение боковых отделов спинного мозга»).

В Северной Америке БАС также называют болезнью Лу Герига. Генри Луи Гериг — легендарный бейсболист, игравший за Нью-Йорк Янкиз (New York Yankees) с 1923 по 1939 г. и установивший несколько личных рекордов. Он был выдающимся защитником первой базы, которого за выносливость прозвали «Железным конем».

Гериг выступал в нескольких сезонах Мировой серии, однако БАС лишил его сил, заставив уйти из спорта в возрасте 36 лет. Состояние Герига стремительно ухудшалось, и через два года он умер.

БАС возникает прежде всего из-за гибели мотонейронов спинного мозга, однако в некоторых случаях может поражать и нейроны головного мозга. У большинства пациентов заболевание проявляется в возрасте 50-75 лет, хотя первые симптомы могут появиться и в подростковом возрасте. В США ежегодно регистрируют около 5000 новых случаев БАС, примерно 10% из них — это генетически наследуемая мутация.

Обычно смерть наступает в течение 5 лет с момента постановки диагноза. Всемирно известный физик-теоретик и космолог Стивен Хокинг (Stephen Hawking) стал исключением из этого правила. Диагноз Хокингу поставили, когда ему был 21 год -у него была редкая медленно прогрессирующая форма БАС с ранним началом. Когда Хокинг учился в докторантуре в Оксфорде, он становился все более неуклюжим, а его речь была немного невнятной. Когда ему было под тридцать, он начал использовать костыли. Когда Хокингу было за тридцать, его речь ухудшилась до такой степени, что его могли понять только члены семьи и близкие друзья.

В свои семьдесят прикованный к инвалидному креслу Хокинг (изображен на фото справа) все еще мог общаться, используя мышцу щеки, к которой был подключен синтезатор речи.

БАС обычно начинается с мышечной слабости, которая затрагивает мышцы горла или верхней части грудной клетки, а также рук и ног. Со временем пациенту становится трудно ходить, он начинает часто падать. БАС, как правило, не затрагивает сенсорные системы, когнитивные функции, системы регуляции кишечника и мочевого пузыря и даже половую функцию. Несмотря на то что его мотонейроны продолжали гибнуть, Стивену Хокингу удалось достичь невероятных результатов в изучении Вселенной. К сожалению, он покинул нас в марте 2018 г.

Пока БАС остается неизлечимым заболеванием, хотя некоторые позволяющие замедлить его развитие новые препараты дают надежду на то, что когда-нибудь БАС научатся лечить. В 2014 г. на YouTube была организована акция ALS Ice Bucket Challenge, направленная на повышение осведомленности о БАС и поиск финансирования для фондов по исследованию этого заболевания. Акция получила широкое распространение, и с тех пор ее повторяют каждый год.

- Читать далее "Резюме по использованию электрических сигналов нейронами для передачи информации"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 12.7.2023