Интимные механизмы работоспособности нервных клеток

Весьма существенное место в проблеме силы нервной системы занимает вопрос об интимных, происходящих на клеточном уровне, процессах, составляющих механизм обратимого функционального истощения клеточных ресурсов и перехода клетки в состояние запредельного торможения. Как известно – и, в частности, видно из высказываний И.П. Павлова, приведенных выше, – И.П. Павлов неоднократно говорил о том, что нервные клетки могут обладать различным запасом «раздражимого вещества», различая по этому признаку корковые клетки от прочих клеток нервной системы и, что особенно важно, нервные клетки животных сильного типа от нервных клеток животных слабого типа нервной системы.

Так, в статье «Тормозной тип нервной системы собак» (1925) И.П. Павлов указывает, что «тормозный» (по существу, слабый) тип нервной системы «имеет корковые клетки, обладающие только малым запасом раздражимого вещества или в особенности легко разрушающимся веществом» (1951–1952, т. III, кн. 2, с. 68). В статье «Некоторые проблемы в физиологии больших полушарий» (1928) снова говорится, что «у возбудимого типа клетки сильные, богато снабженные раздражимым веществом, а у тормозимого – клетки слабые, со скудным содержанием этого вещества» (там же, с. 102). Таким образом, некое гипотетическое «раздражимое вещество», более или менее скоро разрушающееся при функциональных воздействиях на клетку, служит первопричиной отличий по нервной работоспособности, по уровню силы нервных клеток. Возникает вопрос: что это за вещество?

Известно, что в работах И.П. Павлова не содержится прямого ответа на этот вопрос. Однако вряд ли можно думать, что предположение о «раздражимом веществе» было для И.П. Павлова чистой гипотезой, не имевшей никакого конкретного содержания. Едва ли И.П. Павлову остались неизвестны те работы, в которых проблема возбуждения живой ткани рассматривалась – и к 30‑м гг. довольно широко – с точки зрения тонких физико-химических сдвигов, происходящих в мышечных и нервных клетках под воздействием раздражений, в том числе и физиологически возникшего процесса возбуждения. Мы имеем в виду ионную теорию возбуждения, оперирующую весьма конкретными физико-химическими представлениями относительно тех процессов и механизмов, которые однозначно вступают в действие при любом виде раздражения живой ткани.

Согласно этой теории (A.L. Hodgkin, 1951; У.Ф. Флойд, 1958; П.Г. Костюк, 1959, 1960; Е.А. Либерман, Л.М. Чайлахян, 1963а), основную роль в механизмах возбуждения играет движение свободных ионов, находящихся в определенном соотношении внутри клетки и в межклеточной среде, и главным образом ионов калия и натрия. Для состояния покоя характерно, в частности, определенное равновесное состояние ионов калия внутри и вне клетки, причем внутри клетки концентрация калия во много раз выше, чем в межклеточной среде. Состояние покоя характеризуется также концентрацией натрия на поверхности клетки, значительно превосходящей концентрацию ионов натрия во внутриклеточном веществе. Таким образом, в состоянии физиологического покоя имеет место своеобразная ионная асимметрия («ионный градиент»), поддерживаемая процессами обычного метаболизма и представляющая собой общую черту организации живой ткани.

При раздражении клетки возникает процесс возбуждения, который заключается (в самых общих чертах) в мгновенном проникновении ионов натрия внутрь клетки и в последующем выходе ионов калия в среду. Таким образом, происходит обмен внутриклеточного калия на внеклеточный натрий, сопровождающийся относительным выравниванием концентраций обоих ионов, сдвигом в сторону снижения ионного градиента.

Поскольку движение ионов происходит вдоль концентрационного градиента, оно является в некотором смысле пассивным, чисто физико-химическим процессом. Однако, как только возбуждение прекращается, ионы калия стремительно возвращаются внутрь клетки, а ионы натрия выталкиваются наружу. Для реализации этого феномена, поскольку передвижение ионов теперь осуществляется против градиента, требуется некий активный механизм, который и был постулирован по названием «натрий-калиевая помпа» (A.L. Hodgkin, 1951, 1958). Энергетическое обеспечение деятельности этой помпы осуществляется метаболическими процессами, непрерывно протекающими в ткани. Заметим, что передвижение калия и натрия требует наличия особых веществ – «переносчиков», соединяющихся с ионами для перевода их через мембрану; что это за вещества, до сих пор с надлежащей точностью не установлено (С. Эйринг, 1963).

Из положений изложенной (в весьма упрощенном виде) теории вытекает одно весьма существенное следствие. Оно заключается в том, что если концентрационный градиент упомянутых ионов будет снижен до определенного предела, то раздражение клетки уже не сможет реализоваться в перемещении ионов по градиенту, и, следовательно, клетка не сможет перейти в состояние возбуждения. Проверка этого может быть осуществлена простым приемом – помещением в норме возбудимой ткани в среду с повышенным содержанием ионов калия либо, напротив, с пониженным содержанием ионов натрия и испытанием ее возбудимости в этих условиях.

Результаты такого эксперимента (Г.Ю. Белицкий, 1958) показывают, что дело, видимо, обстоит именно так: например, помещение живой ткани в среду, состоящую из той же, но только измельченной ткани (следовательно, выравнивание концентраций калия), постепенно ведет к исчезновению электрических ответов на раздражение живой ткани. О том же говорят данные В.А. Майского (1963), исследовавшего мышечные волокна, помещенные в рингеровский раствор с повышенной концентрацией калия: прямое раздражение волокон электрическим током переставало в этих условиях вызывать потенциалы действия.

Таким образом, увеличение ионной симметрии приводит к такому снижению физиологической функции возбудимой ткани, которое весьма близко напоминает состояние запредельного торможения, наблюдаемое при функционировании клеточных макросистем. Можно предположить, что запредельное торможение, возникающее при многократной или весьма интенсивной физиологической стимуляции структур головного мозга, имеет своей основой постепенно происходящее при повторных раздражениях (или ином форсировании режима) снижение концентрационного градиента ионов, участвующих в процессе возбуждения, до тех пор, пока это снижение не достигнет некоторой критической точки – порога запредельного торможения. Поскольку, как показывает опыт, величина этого порога индивидуально различна, следует допустить, что и быстрота достижения критического уровня ионной асимметрии индивидуально варьирует. Совокупность индивидуальных значений этого уровня и составляет, согласно этому предположению, континуум свойства силы нервной системы по отношению к возбуждению.

Можно думать, следовательно, что интимным механизмом павловской выносливости, работоспособности нервных клеток, составляющей основное содержание свойства силы, является механизм поддержания ионного градиента от одного межстимульного интервала к другому на уровне, возможно более близком к уровню градиента покоя. Сильные нервные клетки будут характеризоваться, таким образом, сцособностью в течение длительного времени восстанавливать в интервалах между импульсами исходные значения ионного градиента, в то время как слабые нервные клетки будут характеризоваться более быстрым затуханием этой способности. Скорее всего, именно на этом пути могут быть конкретизированы павловские идеи относительно «раздражимого вещества», расходуемого в процессе жизнедеятельности нервной клетки.

Однако какие-либо категорические мнения по этому вопросу были бы в настоящее время явно преждевременными. Действительно, следуя за точным смыслом павловских высказываний, говорящих о расходовании вещества клеткой, было бы заманчивым предположить, что таким «раздражимым веществом» является калий, по-видимому, находящийся внутри клетки в свободном состоянии и в самом деле расходуемый клеткой при ее возбуждении. Однако нельзя недооценивать при этом роль натрия, с проникновения которого в клетку, собственно, начинается процесс ее возбуждения и нарушение градиента которого сопровождается, по-видимому, столь же эффективным торможением клеточной активности, как и нарушение калиевого градиента.

В порядке гипотезы можно высказать следующие предположения относительно конкретной физико-химической основы того функционального истощения клеточных ресурсов, скорость наступления которого отличает сильную нервную систему от слабой:

1) эта основа, возможно, заключается в снижении калиевого либо натриевого, – а скорее всего, одновременно и того и другого – градиента путем постепенного некомпенсируемого вывода ионов калия из клетки и одновременно происходящего также некомпенсируемого транспорта эквивалентного количества ионов натрия внутрь клетки, благодаря чему в клетке создается, с одной стороны, недостаток калия, а с другой стороны, избыток натрия;

2) эта основа, возможно, заключается в снижении функции того гипотетического вещества, при помощи которого, как предполагается, осуществляется активный перенос ионов через мембрану; постепенный распад или иная блокада действия этого вещества-«переносчика» обусловили бы ухудшение деятельности калиево-натрие-вой помпы и привели бы в конечном счете к приостановке транспорта ионов) т. е. к подавлению потенциала действия клетки;

3) наконец, самой общей и первичной основой снижения клеточной функции может явиться ухудшение метаболизма, служащего источником энергии, необходимой для осуществления активного передвижения ионов против концентрационного градиента; одним из необходимых звеньев здесь являются макроэргические фосфорные соединения, причем, как показывают данные, эти соединения различны для калиевой и натриевой помп, и, следовательно, снижение двух активных механизмов переноса ионов может, вообще говоря, не быть строго параллельным.

К сожалению, работы, посвященные изучению всех упомянутых физико-химических механизмов, еще не достигли того уровня детализации, при котором появляется интерес к исследованию индивидуальных различий в их функционировании; да и сами изучаемые объекты (главным образом, гигантские нервы ракообразных) не располагают к такому направлению работы. Поэтому мы не может сослаться на какой-либо хотя бы минимальный фактический материал, подтверждающий или опровергающий высказанные предположения. Однако принципиальных трудностей для его получения, очевидно, не существует.

Все сказанное до сих пор относительно физико-химической природы возбудительного процесса основывалось на концепциях ионной теории возбуждения, развиваемой ее сторонниками в рамках современной мембранной теории биоэлектрических потенциалов. Однако существует представленная многочисленными работами другая система взглядов на сущность и происхождение биопотенциалов и природу возбуждения в целом – так называемая фазовая, или денатурационная, теория, разработка которой связывается главным образом с именем Д.Н. Насонова (Д.Н. Насонов, В.Я. Александров, 1940; Д.Н. Насонов, 1959; А.С. Трошин, 1956; Д.Л. Розенталь, А.С. Трошин, 1963; Е.А. Либерман, Л.М. Чайлахян, 19636). Остановимся теперь на основных положениях фазовой теории и на тех возможных следствиях, которые могут вытекать из нее для понятия силы нервной системы.

В отличие от мембранной теории фазовая теория клеточной деятельности, обсуждая механизмы возбуждения, придает большое значение в их функционировании не мембране, отделяющей клетку от среды, а внутриклеточной протоплазме, состоящей из белковых полимерных молекул и представляющей собой по отношению к внеклеточной водной среде фазу с иным «сродством» к некоторым электролитам, чем окружающий водный раствор. Предполагается, что возбуждение как физико-химический процесс разыгрывается не в пограничном слое клетки, а во всей ее массе, приводя к структурным изменениям крупных молекул, к преобразованиям их первоначальной пространственной конфигурации, характерной для состояния покоя (В.И. Кушнер, 1963). Эти преобразования, если они не сопровождаются необратимым процессом распада макромолекул на мономерные звенья, носят название «денатурации» – термин, который обозначает потерю белками исходных (нативных) физико-химических и физиологических качеств, но потерю обратимую, с сохранением возможности возврата в нативное состояние. Денатурационные изменения белковых макромолекул составляют, по-видимому, основу паранекротических сдвигов, которые, согласно Д.Н. Насонову и его сотрудникам, и представляют собой главное содержание процессов, протекающих в клетке при ее стимуляции.

Вначале Д.Н. Насоновым и его сотрудниками было показано, что комплекс неспецифических паранекротических изменений возникает в клетке при повреждающих воздействиях. Впоследствии теория паранекроза была распространена и на поведение клетки в условиях естественной физиологической стимуляции, т. е. «и в том случае, когда вместо смещения клетки за пределы физиологической нормы она побуждается к какой-либо присущей ей деятельности» (Д.Н. Насонов, В.Я. Александров, 1940, с. 203). При альтерирующих воздействиях на клетку комплекс структурных изменений цитоплазмы наиболее заметен. Он включает в себя такие процессы, как изменение окрашиваемости клеток вследствие структурной перестройки белковых молекул, изменение дисперсности (светорассеяния) коллоидных частиц, сокращение клеток и их ядер, выход из клеток некоторых веществ и т. д.

Рассматривая эти данные с точки зрения их значения для проблемы силы нервной системы и запредельного торможения, можно было бы сделать ряд предположений относительно тонкой цитофизиологической природы этих функций. Можно было бы предположить, например, что сила нервных клеток есть непосредственная функция устойчивости белковых микроструктур и что, таким образом, порог запредельного торможения тем выше, чем дольше нервные клетки данной индивидуальной нервной системы способны удерживать исходное нативное состояние своего вещества – высокоупорядоченную полимерную структуру белковых молекул.

Однако проблема заключается в том, что в условиях жизнедеятельности клетки, близких к нормальным, а именно при лабораторно воспроизводимом распространяющемся возбуждении, все перечисленные внутриклеточные сдвиги далеко не всегда удается наблюдать и регистрировать (Д.Л. Розенталь, А.С. Трошин, 1963). Кроме того, появились данные о том, что проведение импульса возможно в нерве, вообще лишенном своей цитоплазмы и заполненном вместо нее раствором КСl (P.F. Baker et al., 1962). Совокупность этих факторов заставляет усомниться в правомерности основных пунктов теории паранекроза – гипотезы о физиологическом подобии процессов повреждения и возбуждения (не исключая при этом их эволюционное родство) и вытекающей из нее гипотезы об участии в процессе распространяющегося возбуждения всей живой массы клетки.

Резюмируя современное состояние теории паранекроза, Д.Л. Розенталь и А.С. Трошин указывают: «Сопоставление субстанционных нефункциональных изменений, проведенное на одиночных нервных волокнах, показало, что проведение нервного импульса может не сопровождаться такими же субстанциональными сдвигами, как и обратимое повреждение. Д.Н. Насонов предполагал, что проведение нервного импульса возникло филогенетически из процессов иррадиации повреждения. Вероятно, при этом более экономичным для проведения возбуждения на далекие расстояния оказался процесс, не захватывающий целиком всю протоплазму, а ограничивающийся поверхностными слоями» (1963, с. 375).

Таким образом, имеются основания думать, что основной функциональный признак возбуждения клетки – потенциал действия – представляет собой все же результат электрохимических процессов, происходящих в пограничном клеточном слое, т. е. в мембране, а изменения белковой микроструктуры, если они и имеют место, то, видимо, выступают лишь как сопутствующий процесс, физиологический смысл которого еще подлежит установлению.

Надо сказать, что уже некоторое время назад предпринимались попытки осуществить своеобразный синтез мембранной и паранекротической теорий возбуждения. Одна из таких попыток содержится в работах Д. Унгара, который в своих построениях придает большое значение изменениям в структуре белковых молекул, но в то же время считает «вероятным, что изменения в структуре белка могут быть причинно связаны либо с изменением «проницаемости» клетки для натрия или калия, либо с изменением сродства цитоплазмы к этим ионам» (1959, с. 630); ослабление связей внутри молекулярной структуры приводит к перераспределению калия и натрия и дает начало электрическим явлениям возбуждения.

Можно видеть, что и в этой концепции, при всем ее внимании к цитоплазматическим изменениям, весьма значительная роль отводится, как и в мембранной теории, ионному обмену. Таким образом, попытка вывести из этой теории следствия для концепции силы нервной системы привела бы снова к тем гипотезам, которые были сформулированы выше в качестве выводов из мембранной теории (кроме, может быть, предположения, касающегося функционирования гипотетической помпы).

Таковы те соображения, которые можно было бы высказать относительно возможной физико-химической основы перехода нервной клетки в состояние запредельного торможения и, стало быть, механизма и природы индивидуальных различий по одному из ведущих параметров павловской классификации – силе нервной системы по отношению к возбуждению.

К сожалению, кажется весьма затруднительным в настоящее время сформулировать какие-либо предположения относительно тонкой природы другого силового параметра павловской школы – силы нервной системы к действию тормозного процесса. Основная трудность здесь заключается в том, что специально тормозных электрических импульсов, по-видимому, не существует и торможение не может распространяться по нервному волокну так же, как распространяется возбуждение.

Разумеется, когда говорят о движении тормозного процесса, скажем, по коре больших полушарий, то это выражение полностью отражает фактическое положение вещей: тормозный процесс действительно может иррадиировать по коре, захватывая целые нейронные комплексы, но это движение осуществляется посредством распространения возбуждения, приводящего к последовательному торможению совокупности нейронов.

По некоторым данным, тормозная реакция клетки отличается от возбудительной. Считается, что эти различные реакции возможны потому, что клетка – при возбуждении и при торможении стимулируется различными путями, через различные синаптические образования, одни из которых имеют возбуждающую, а другие – тормозящую функцию (Д. Экклс, 1959). Отличие электрической реакции тела клетки при поступлении залпа тормозящих импульсов от реакции, возникающей при поступлении залпа возбуждающих импульсов, заключается главным образом в гиперполяризации мембраны (вместо деполяризации) и в противоположном направлении сдвига мембранного потенциала. Однако данные здесь не свободны от противоречий (А.И. Ройтбак, 1963), и к тому же они получены только на мотонейронах, действующих по реципрокному принципу.

Выдвигаются и другие точки зрения, в отличие от изложенной отрицающие физико-химическую специфичность тормозного процесса. Так, И.С. Беритов (1961) полагает, что торможение пирамидных нейронов происходит путем активации их дендритных разветвлений, блокирующих при своем возбуждении пути постоянной тонической активации сомы нейрона и подавляющих тем самым его возбудимость.

Концепций торможения довольно много, однако единой точки зрения на его механизмы до сих пор не выработано. Это чрезвычайно усложняет всякую попытку интерпретировать те факты наблюдения относительно реакции нервной системы на перенапряжение тормозного процесса, которые понемногу накапливаются различными исследователями, и истолковать их с точки зрения протекающих при этом интимных внутриклеточных процессов.