ТЕМА 2. Строение и функции нервной ткани
Строение и классификация нейронов.
Строение и функции мембран нейронов.
Механизм возникновения мембранного потенциала.
Природа потенциала действия.
Межнейронные взаимодействия.
Строение и функции нейроглии.
Строение и классификация нейронов. Мозг состоит из миллиардов нервных клеток, или нейронов. Нейрон состоит из трех основных частей: тело нейрона (сома); дендриты – короткие отростки, которые получают сообщения от других нейронов; аксон – длинное отдельное волокно, которое передает сообщения от сомы к дендритам других нейронов или тканям тела, мышцам. Передача возбуждения от аксона одного нейрона к дендритам другого называется нейропередачей или нейротрансмиссией. Существует большое многообразие нейронов ЦНС. Чаще всего классификация нейронов осуществляется по трем признакам – морфологическим, функциональным и биохимическим.
Морфологическая классификация нейроновучитывает количество отростков у нейронов и подразделяет все нейроны на три типа – униполярные, биполярные и мультиполярные.
Униполярные нейроны имеют один отросток. В нервной системе человека и других млекопитающих нейроны этого типа встречаются редко. Биполярные нейроныимеют два отростка – аксон и дендрит, обычно отходящие от противоположных полюсов клетки. В нервной системе человека собственно биполярные нейроны встречаются в основном в периферических частях зрительной, слуховой и обонятельной систем. Существует разновидность биполярных нейронов – так называемые псевдоуниполярные, или ложно-униполярные нейроны. У них оба клеточных отростка (аксон и дендрит) отходят от тела клетки в виде единого выроста, который далее Т-образно делится на дендрит и аксон. Мультиполярные нейроныимеют один аксон и много (2 и более) дендритов. Они наиболее распространены в нервной системе человека. По форме описано до 60 – 80 разновидностей веретенообразных, звездчатых, корзинчатых, грушевидных и пирамидных клеток.
С точки зрения локализации нейронов, они делятся на центральные (в спинном и головном мозге) ипериферические(находящиеся за пределами ЦНС, нейроны вегетативных ганглиев и метасимпатического отдела вегетативной нервной системы).
Функциональная классификация нейроновразделяет их по характеру выполняемой ими функции (в соответствии с их местом в рефлекторной дуге) на три типа: афферентные (чувствительные), эфферентные (двигательные) и ассоциативные.
1. Афферентные нейроны(синонимы – чувствительные, рецепторные, центростремительные), как правило, являются ложноуниполярными нервными клетками. Тела этих нейронов располагаются не в ЦНС, а в спинномозговых или чувствительных узлах черепномозговых нервов. Один из отростков, отходящий от тела нервной клетки, следует на периферию, к тому пли иному органу и заканчивается там сенсорным рецептором, который способен трансформировать энергию внешнего стимула (раздражения) в нервный импульс. Второй отросток направляется в ЦНС (спинной мозг) в составе задних корешков спинномозговых нервов или соответствующих чувствительных волокон черепномозговых нервов. Как правило, афферентные нейроны имеют небольшие размеры и хорошо разветвленный на периферии дендрит. Функции афферентных нейронов тесно связаны с функциями сенсорных рецепторов. Таким образом, афферентные нейроны генерируют нервные импульсы под влиянием изменений внешней или внутренней среды
Часть нейронов, принимающих участие в обработке сенсорной информации, которые можно рассматривать как афферентные нейроны высших отделов мозга, принято делить в зависимости от чувствительности к действию раздражителей на моносенсорные, бисенсорные и полисенсорные.
Моносенсорные нейронырасполагаются чаще в первичных проекционных зонах коры и реагируют только на сигналы своей сенсорности. Моносенсорные нейроны подразделяют функционально по их чувствительности к разным качествам одного раздражителя на мономодальные, бимодальные и полимодальные.
Бисенсорные нейронычаще располагаются во вторичных зонах коры какого-либо анализатора и могут реагировать на сигналы как своей, так и другой сенсорности. Например, нейроны вторичной зоны зрительной области коры больших полушарий головного мозга реагируют на зрительные и слуховые раздражения. Полисенсорные нейроны– это чаще всего нейроны ассоциативных зон мозга, они способны реагировать на раздражение разных сенсорных систем.
2. Эфферентныенейроны (двигательные, моторные, секреторные, центробежные, сердечные, сосудодвигательные и пр.) предназначены для передачи информации от ЦНС на периферию, к рабочим органам. По своему строению эфферентные нейроны – это мультиполярные нейроны, аксоны которых продолжаются в виде соматических или вегетативных нервных волокон (периферических нервов) к соответствующим рабочим органам, в том числе к скелетным и гладким мышцам, а также к многочисленным железам. Основной особенностью эфферентных нейронов является наличие длинного аксона, обладающего большой скоростью проведения возбуждения.
3.Вставочные нейроны(интернейроны, ассоциативные, осуществляют передачу нервного импульса афферентного (чувствительного) нейрона на эфферентный (двигательный) нейрон. Вставочные нейроны располагаются в пределах серого вещества ЦНС. По своему строению это мультиполярные нейроны. Считается, что в функциональном отношении это наиболее важные нейроны ЦНС, так как на их долю приходится 97 %, а по некоторым данным, – даже 99,98 % от общего числа нейронов ЦНС. Область влияния вставочных нейронов определяется их строением, в том числе длиной аксона и числом коллатералей. По своей функции они могут быть возбуждающими или тормозными. При этом возбуждающие нейроны могут не только передавать информацию с одного нейрона на другой, но и модифицировать передачу возбуждения, в частности, усиливать ее эффективность.
Биохимическая классификация нейроновоснована на химических особенностях нейромедиаторов, используемых нейронами в синаптической передаче нервных импульсов. Выделяют много различных групп нейронов, в частности, холинергические (медиатор – ацетилхолин), адренергические (медиатор – норадреналин), серотонинергические (медиатор – серотонин), дофаминергические (медиатор – дофамин), ГАМК-ергические (медиатор – гамма-аминомасляная кислота – ГАМК), пуринергические (медиатор – АТФ и его производные), пептидергические (медиаторы – субстанция Р, энкефалины, эндорфины и другие нейропептиды). В некоторых нейронах терминали содержат одновременно два типа нейромедиатора, а также нейромодуляторы.
Другие виды классификаций нейронов.Нервные клетки разных отделов нервной системы могут быть активными вне воздействия, т. е. обладают свойством автоматии. Их называют фоновоактивными нейронами. Другие нейроны проявляют импульсную активность только в ответ на какое-либо раздражение, т. е. они не обладают фоновой активностью.
Некоторые нейроны, по причине их особой значимости в деятельности мозга, получили дополнительные названия по имени исследователя, впервые их описавшего. Среди них пирамидные клетки Беца, локализованные в новой коре большого мозга; грушевидные клетки Пуркинье, клетки Гольджи, клетки Лугано (в составе коры мозжечка); тормозные клетки Реншоу (спинной мозг) и ряд других нейронов.
Среди сенсорных нейронов выделяют особую группу, которые получили название нейронов-детекторов. Нейроны-детекторы – это высокоспециализированные нейроны коры и подкорковых образований, способные избирательно реагировать на определенный признак сенсорного сигнала, имеющий поведенческое значение. Такие клетки выделяют в сложном раздражителе его отдельные признаки, что является необходимым этапом для опознания образов. При этом информация об отдельных параметрах стимула кодируется нейроном-детектором в виде потенциалов действия.
В настоящее время нейроны-детекторы выявлены во многих сенсорных системах человека и животных. Начальные этапы их изучения относятся к 60-м годам, когда были впервые идентифицированы ориентационные и дирекционные нейроны в сетчатке лягушки, в зрительной коре кошки, а также в зрительной системе человека (за открытие феномена ориентационной избирательности нейронов зрительной коры кошки Д. Хьюбел и Т. Визел в 1981 г. были удостоены Нобелевской премии). Явление ориентационной чувствительности заключается в том, что нейрон-детектор дает максимальный по частоте и числу импульсов разряд только при определенном положении в рецептивном поле световой полоски или решетки; при другой ориентации полоски, или решетки, клетка не реагирует или отвечает слабо. Это означает, что имеет место острая настройка нейрона-детектора на потенциалы действия, отражающие соответствующий признак предмета. Дирекционные нейроны реагируют только на определенное направление движения стимула (при определенной скорости движения). Помимо ориентационных и дирекционных нейронов в зрительной системе обнаружены детекторы сложных физических явлений, встречающихся в жизни (движущаяся тень человека, циклические движения рук), детекторы приближения-удаления объектов. В новой коре, в базальных ганглиях, в таламусе обнаружены нейроны особо чувствительные к стимулам, сходным с человеческим лицом или какими-то его частями. Ответы этих нейронов регистрируются при любом расположении, размере, цвете «лицевого раздражителя». В зрительной системе выявлены нейроны с возрастающей способностью к обобщению отдельных признаков объектов, а также полимодальные нейроны, обладающие способностью реагировать на стимулы разных сенсорных модальностей (зрительно-слуховые, зрительно-соматосенсорные и т. д.).
Строение и функции мембран нейронов.Возбудимость как специализированное свойство отдельных клеток организма обусловлено наличием у них особых свойств, которые определяются строением и функцией их цитоплазматической мембраны. Избирательная проницаемость мембраны для ионов Na+, K+, Са2+ и Сl обеспечивает неравновесное распределение указанных ионов между клеткой и внеклеточной средой, что лежит в основе формирования электрического заряда клетки. Механизм активного транспорта ионов поддерживает ионную асимметрию, а система специализированных белков-рецепторов, встроенных в мембрану, позволяет клетке воспринимать электрические и химические сигналы внешней среды.
Все возбудимые клетки покрыты снаружи мембраной, которая получила название цитоплазматической, или просто плазматической, мембраны. Внутри клетки также имеются мембранные структуры, например, мембраны митохондрий, ядра клетки, эндоплазматического ретикулюма. Однако по своим свойствам они отличаются от плазматической мембраны
Плазматическая мембрана возбудимых клеток – самая толстая из клеточных мембран, ее толщина составляет 7,5-11 нм. Под электронным микроскопом она имеет вид трехслойной структуры, представленной двумя электронно-плотными слоями, которые разделяются светлым слоем. Ее молекулярное строение описывается жидкостно-мозаичной моделью, согласно которой она состоит из двойного фосфолипидного слоя, в который погружены и с которым связаны молекулы белков. Липидные молекулы имеют гидрофильную, или полярную, головку и гидрфобный (неполярный) хвост. Кроме того, в состав большинства мембран входит холестерин. В мембране гидрофобные цепи обращены внутрь бислоя, а гидрофильные головки – к наружи. Электронно-плотные слои соответствуют расположению гидрофильных головок липидов. Состав липидов каждой из половин бислоя (обращенной к внеклеточной среде и внутрь цитоплазмы, соответственно) – неидентичен. Липиды обеспечивают основные физико-химические свойства мембран, в том числе их текучесть при температуре тела.
Мембранные белки составляют более 50 % массы мембраны и удерживаются в липидном бислое за счет гидрофобных взаимодействий с молекулами липидов. По своему расположению относительно липидного бислоя мембранные белки разделяются на две основные группы – интегральные и периферические. Периферические белки находятся на поверхности мембраны и непрочно связаны с ней. Интегральные белки либо полностью погружены в липидный бислой, либо частично. Кроме того, многие белки пронизывают всю мембрану. Часть мембранных белков связана с молекулами олигосахаридов, которые обеспечивают формирование гликокаликса (дословно – сладкая оболочка), последний служит своеобразным фильтром для поверхностной мембраны, а также для рецепции химических сигналов.
С функциональной точки зрения мембранные белки выполняют основные функции характерные для поверхностной мембраны. Часть белков представляет собой ионные каналы, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации из наружной среды в клетку или наоборот. Часть белков выполняет функцию активного транспорта ионов (ионные насосы, например, Na-K- насос). Таким образом, белки выступают в роли пассивных или активных переносчиков ионов и других гидрофильных веществ, транспорт которых через гидрофобные участки мембран запрещен. Часть мембранных белков выполняет функцию рецептора, т. е. специализированной структуры, предназначенной для узнавания определенных молекул и передачи сообщения об этом событии внутрь клетки. Часть мембранных белков выступает в роли ферментов, осуществляющих перенос определенных групп от одних молекул к другим. Все белки мембраны синтезируются в эндоплазматическом ретикулюме, а затем направляются в аппарат Гольджи, откуда они распределяются на соответствующие участки мембраны. Контроль за синтезом соответствующих белков осуществляется с участием генов, находящихся в ядре клетки.
Плазматическая мембрана играет исключительно важную роль в жизнедеятельности клеток, особенно, возбудимых (нейронов, мышечных волокон и др. клеток). Основная функция плазматической мембраны заключается в создании необходимой для деятельности клетки микросреды. Нередко эту функцию называют барьерно-транспортной, так как именно избирательная проницаемость и избирательный транспорт обеспечивают создание такой среды. Благодаря этой функции возбудимые клетки формируют мембранный потенциал, кратковременное изменение которого представляет основной признак возбуждения – потенциал действия. Кроме того, важнейшей функцией плазматической мембраны является рецепция внешних сигналов, в том числе поступающих от других клеток через специальные устройства (синапсы) или через кровь, лимфу либо ликвор. В роли таких сигналов выступают молекулы медиаторов, гормонов, биологически активных веществ. Таким образом, с участием мембраны осуществляется межклеточное взаимодействие в организме. Наряду со способностью возбудимых клеток формировать мембранный потенциал и потенциал действия, способность к межклеточным взаимодействиям обеспечивает все многообразие видов деятельности ЦНС.
Мембранный транспорт веществ (переход вещества из внеклеточной среды во внутриклеточную либо наоборот) является еще одной важной функцией мембраны. Любой вид транспорта определяется свойствами переносимого вещества – его способностью растворяться в воде, его размерами, химическими свойствами, а также градиентом (разницей) концентрации между наружной и внутренней поверхностью плазматической мембраны. Гидрофобные вещества хорошо проходимы через плазматические мембраны. Поэтому их транспорт определяется преимущественно наличием и направленностью градиента концентрации – вещество движется согласно законам термодинамики из области его высокой концентрации в область, где концентрация этого вещества ниже. Гидрофильные вещества не могут свободно проходить через плазматические мембраны, даже если они имеют небольшие размеры. Для их транспорта необходимы либо специальные частицы – транспортеры, либо специальные механизмы, в основе которых лежит изменение формы клетки. Если перенос вещества происходит с участием транспортной частицы (переносчика), то в этом случае возможны два варианта. Первый вариант – перенос по градиенту концентрации. Такой вид транспорта не требует для своей реализации в данный момент времени затраты энергии (она затрачивается ранее, при создании такого градиента); поэтому его условно называют пассивным транспортом. Второй вариант – перенос вещества против градиента его концентрации. В этом случае необходима затрата свободной энергии (используются энергия, которая освобождается при гидролизе АТФ, т. е. в результате диссоциации этой молекулы на АДФ, и неорганический фосфат). Такой вид транспорта получил название активный транспорт.
Таким образом, можно говорить о наличии внутри плазматической мембраны двух типов переносчиков – пассивных и активных. Процесс транспорта веществ через плазматическую мембрану может регулироваться, поэтому проницаемость для конкретного вещества – величина, изменяемая во времени. Особенно этот принцип важен в отношении ионов натрия, калия, кальция и хлора – в возбудимых клетках имеются специальные механизмы регуляции проницаемости мембраны для указанных ионов, позволяющих менять ее в широких диапазонах, в том числе до полного прекращения транспорта иона. При этом существуют два основных механизма такой регуляции – за счет изменения уровня мембранного потенциала (потенциалзависимый механизм) или за счет активации специфических клеточных рецепторов (рецепторуправляемый механизм).
Различают прямой и опосредованный транспорт. Прямой транспорт осуществляется без участия переносчиков и без затраты энергии. Он идет путем диффузии или фильтрации, т. е. по типу пассивного транспорта. Примером такого вида транспорта является перенос кислорода как жирорастворимого вещества. Опосредованный транспорт во всех случаях совершается с участием переносчика. При этом в одних случаях этот вид транспорта идет без затраты энергии (облегченная диффузия), а в других – с затратой энергии (активный транспорт).
Пассивный транспорт. Различают два его вида – простую диффузию и облегченную диффузию. Механизмом простой диффузии осуществляется перенос мелких жирорастворимых молекул (О2, СО2, и др.). Облеченная диффузия осуществляется через специфические каналы (в том числе специфические ионные каналы) или с участием специфических белков-переносчиков. В том и в другом случае эти структуры являются интегральными мембранными белками, а сам перенос вещества идет без затраты энергии – за счет химического или электрохимического градиента. С помощью белков-переносчиков возбудимые клетки (как и другие клетки) получают из внеклеточной среды. Направленность потока ионов определяется химическим и электрохимическим градиентом. В частности, известно, что в цитоплазме возбудимых клеток концентрация ионов Na+ составляет 14 мМ, а во внеклеточной среде – 140 мМ. Поэтому пассивный поток ионов Na+ по натриевым каналам направлен из внеклеточной среды в цитоплазму. Аналогичная ситуация для потока ионов Са++, так как во внеклеточной среде их концентрация намного больше, чем в цитоплазме. Поток ионов К+ по калиевым каналам направлен, наоборот, из клетки в среду, так как концентрация этих ионов в цитоплазме намного больше, чем во внеклеточной среде (150 мМ против 4 – 5 мМ). Натриевые каналы в условиях покоя (в частности, при мембранном потенциале, равном – 80 мВ) закрыты, но при снижении мембранного потенциала (например, с +80 мВ до +60 мВ) открываются, в результате чего интенсивность натриевого потока, входящего в клетку, возрастает. Однако спустя определенное время (например, 1 – 2 мс, как это наблюдается в нейроне) происходит инактивация натриевых каналов. Следствием этого процесса является снижение (почти до нуля) входящего в клетку потока ионов натрия. Натриевые каналы играют исключительно важную роль в деятельности нейронов, так как обеспечивают начальный компонент потенциала действия, т. е. его фазу деполяризации.
Активный транспорт– транспорт, который осуществляется за счет работы так называемых насосов, которые работают за счет энергии гидролиза АТФ.
Na, К-насос, или Na, К-АТФаза, совершает активный перенос сразу двух ионов – ионов Na+, которые переносятся против градиента их концентрации из цитоплазмы в окружающую среду, и ионов К+, которые, наоборот, переносятся из наружной среды в клетку, причем обычно Na, К-насос работает в электрогенном режиме – на три выводимых из клетки иона Na+ внутрь клетки вводится два иона К+.
Кроме того, как вариант активного транспорта, т. е. транспорта с затратой энергии, различают транспорт с изменением архитектуры мембраны – экзоцитоз и эндоцитоз. В этом случае большая молекула, например белковая молекула, или группа молекул выбрасывается за пределы клетки (экзоцитоз), либо поглощение этого вещества из среды внутрь клетки (эндоцитоз).
Механизм возникновения мембранного потенциала. Мембранный потенциал (МП) представляет собой разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны возбудимой клетки в условиях ее покоя. В среднем у клеток возбудимых тканей МП достигает 50 – 80 мВ, со знаком минус внутри клетки. Исследование природы мембранного потенциала показало, что во всех возбудимых клетках (нейроны, мышечные волокна, миокардиоциты, гладкомышечные клетки) его наличие обусловлено преимущественно ионами К+. Как известно, в возбудимых клетках за счет работы Na-K-насоса концентрация ионов К+ в цитоплазме в условиях покоя поддерживается на уровне 150 мМ, в то время как во внеклеточной среде концентрация этого иона обычно не превышает 4 – 5 мМ. Это означает, что внутриклеточная концентрация ионов К+ в 30 – 37 раз выше, чем внеклеточная. Поэтому по градиенту концентрации ионы К+ стремятся выйти из клетки во внеклеточную среду. В условиях покоя, действительно, существует выходящий из клетки поток ионов К+, при этом диффузия осуществляется по калиевым каналам, большая часть которых открыта. В результате того, что мембрана возбудимых клеток непроницаема для внутриклеточных анионов (глутамата, аспартата, органических фосфатов), на внутренней поверхности мембраны клетки вследствие выхода ионов К+ образуется избыток отрицательно заряженных частиц, а на наружной – избыток положительно заряженных частиц. Возникает разность потенциалов, т. е. мембранный потенциал, который препятствует чрезмерному выходу ионов К+ из клетки. При некотором значении МП наступает равновесие между выходом ионов К+ по концентрационному градиенту и входом (возвратом) этих ионов по возникшему электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, получил название равновесного потенциала. Помимо ионов К+ определенный вклад в создание мембранного потенциала вносят ионы Na+ и Сl. В частности, известно, что концентрация ионов Na+ во внеклеточной среде в 10 раз больше, чем внутри клетки (140 мМ против 14 мМ). Поэтому ионы Na+ в условиях покоя стремятся войти в клетку. Однако основная часть натриевых каналов в условиях покоя закрыта (относительная проницаемость для ионов Na+, судя по экспериментальным данным, полученным на гигантском аксоне кальмара, в 25 раз ниже, чем для ионов К+). Поэтому в клетку входит лишь небольшой поток ионов Na+. Но и этого достаточно, чтобы хотя бы частично компенсировать избыток анионов внутри клетки. Концентрация ионов Сl- во внеклеточной среде также выше, чем внутри клетки (125 мМ против 9 мМ), и поэтому эти анионы также стремятся войти в клетку, очевидно, по хлорным каналам.
Таким образом, основными ионами, определяющими величину МП, являются ионы К+, покидающие клетку. Ионы Na+, входящие в клетку в небольших количествах, частично уменьшают величину МП, а ионы Сl-, также входящие в клетку в условиях покоя, в определенной степени компенсируют это влияние ионов Na+. Кстати, в многочисленных экспериментах с различными возбудимыми клетками установлено, что чем выше проницаемость клеточной мембраны для ионов Na+ в условиях покоя, тем ниже величина МП. Для того чтобы МП поддерживался на постоянном уровне, необходимо поддержание ионной асимметрии. Для этого, в частности, служат ионные насосы (Na-K-насос, а также, вероятно, Сl-насос) которые восстанавливают ионную асимметрию, особенно после акта возбуждения. Так как этот вид транспорта ионов активный, т. е. требующий затраты энергии, то для поддержания мембранного потенциала клетки необходимо постоянное наличие АТФ.
Природа потенциала действия.Потенциал действия (ПД) представляет собой кратковременное изменение разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны (или между двумя точками ткани), которое возникает в момент возбуждения. При регистрации потенциала действия нейронов с помощью микроэлектродной тех наблюдается типичный пикообразный потенциал. В упрощенном виде при возникновении ПД можно выделить следующие фазы: начальный этап деполяризации, затем быстрое снижение мембранного потенциала до нуля и перезарядка мембраны, далее происходит восстановление исходного уровня мембранного потенциала (реполяризация). Основную роль в этих процессах играют ионы Na+, деполяризация вначале обусловлена незначительным повышением проницаемости мембраны для ионов Na+. Но чем выше степень деполяризации, тем выше становится проницаемость натриевых каналов, тем больше ионов натрия входит в клетку и тем выше степень деполяризации. В этот период происходит не только снижение разности потенциалов до нуля, но и изменение поляризованности мембраны – на высоте пика ПД внутренняя поверхность мембраны заряжена положительно по отношению к наружной. Процессы реполяризации связаны с увеличением выхода из клетки ионов К+ через открывшиеся каналы. В целом, необходимо отметить, что генерация потенциала действия – это сложный процесс, в основе которого лежит скоординированное изменение проницаемости плазматической мембраны для двух или трех основных ионов (Na+, К+ и Са++). Основным условием возбуждения возбудимой клетки является снижение ее мембранного потенциала до критического уровня деполяризации (КУД). Любой раздражитель, или агент, способный снизить мембранный потенциал возбудимой клетки до критического уровня деполяризации, способен возбудить эту клетку. Как только МП достигнет уровня КУД, процесс будет продолжаться самостоятельно и приведет к открытию всех натриевых каналов, т. е. к генерации полноценного ПД. Если мембранный потенциал не достигнет этого уровня, то в лучшем случае возникнет так называемый местный потенциал (локальный ответ).
В ряде возбудимых тканей величина мембранного потенциала по времени непостоянна – периодически она снижается (т. е. возникает спонтанная деполяризация) и самостоятельно достигает КУД, в результате чего возникает спонтанное возбуждение, после которого мембранный потенциал восстанавливается до исходного уровня, а затем цикл повторяется. Это свойство получило название автоматии. Однако для возбуждения большинства возбудимых клеток необходимо наличие внешнего (по отношению к этим клеткам) раздражителя.
Межнейронные взаимодействия. Нейрон с помощью ПД может передавать информацию на другие клетки, но один нейрон сам по себе не может выполнить функции, характерные для ЦНС. Для этих целей необходимо объединение различных нейронов в единые ансамбли. Для различных структур мозга характерны определенные типы нейронной организации. Нейроны, выполняющие одну и ту же функцию, образуют так называемые группы, популяции, ансамбли, колонки, ядра. В коре большого мозга, мозжечке нейроны формируют слои клеток. Каждый слой имеет свою специфическую функцию.
Скопления нейронов и нейроглии образуют серое вещество мозга. Серое вещество ЦНС неоднородно. В нем имеются участки концентрации нейронов, где их тела очень плотно располагаются относительно друг друга, а также области, где концентрация нейронов невысокая. Области высокой концентрации нейронов получили название ядер серого вещества. Специфические по функции нейроны образуют самостоятельные соответствующие ядра, расположенные среди белого вещества в различных отделах ствола головного мозга. Понятие ядра в отношении коры большого мозга скорее носит функциональный смысл, чем морфологический.
Нервный центр – это комплекс нейронов, сосредоточенных в одной структуре ЦНС (например, дыхательный центр продолговатого мозга), которые выполняют близкие функции. Понятие «нервный центр» базируется главным образом на анатомических принципах.
Нейронные цепи – это соответствующим образом (последовательно) соединенные между собой нейроны, которые выполняют определенную задачу. Рефлекторная дуга является частным случаем организации нейронов по типу нейронных цепей.
Нейронные сети – это объединение нейронов, которое содержит множество параллельно расположенных и связанных между собой последовательных цепей нейронов. Такие объединения выполняют сложные задачи. Например, сенсорные сети выполняют задачу по обработке сенсорной информации. Объединенные в нейронные сети нейроны могут приобретать новые свойства, отсутствующие в отдельности. Поэтому элементарная нейронная сеть считается важной единицей функциональной активности ЦНС. Принцип кооперативного поведения нейронов в сети предполагает, что совокупность взаимосвязанных элементов обладает большими возможностями функциональных перестроек.
Более сложное объединение нейронов, характерное для коры головного мозга, – это нейронные колонки и модули. Каждая колонка представляет собой вертикальный цилиндр диаметром около 100 – 150 мкм, включающий нейроны всех слоев коры. Это нейронное объединение – локальная нервная сеть, которая, перерабатывая информацию, передает ее с входа на выход. Структурной основой вертикальной корковой колонки являются вертикально ориентированные пучки апикальных дендритов, берущих начало от крупных и средних пирамидных нейронов. Расстояние между отдельными пучками дендритов соответствует расстоянию между группами клеток, образующих колонки. Функционально колонка представляет собой объединение вертикально связанных пирамидных и звездчатых клеток разных слоев, аксоны которых также ветвятся в вертикальном направлении. Звездчатые клетки являются возбуждающими и тормозными интернейронами такого объединения, имеющего свои афферентные входы, внутрикорковые межнейронные связи и эфферентные выходы по аксонам пирамидных клеток. Макроколонка, или функциональный корковый модуль, является объединением нескольких вертикальных колонок, его диаметр в несколько раз превышает диаметр вертикальной колонки и составляет 300 – 600 мкм. В отличие от вертикальных колонок модули имеют несколько входов и выходов и обеспечивают более сложную переработку информации, а также участвуют в механизмах формирования высших психических функций.
Строение и функции нейроглии. Нейроглия – это обширная разнородная группа клеток (глиоцитов, или глиальных клеток) нервной ткани, обеспечивающая деятельность нейронов и выполняющая опорную, трофичекую, разграничительную, барьерную, секреторную и защитную (иммунологическую) функции. Глиальные клетки по размерам в 3 – 4 раза меньше, чем нейроны. В мозге человека содержание глиоцитов в 5 – 10 раз превышает число нейронов, причем все глиоциты занимают около половины объема мозга. В отличие от нейронов глиоциты взрослого человека способны к делению. Нейроглия включает макроглию и микроглию. В белом и сером веществе мозга рассеяны клетки микроглии, которые образуются из моноцитов крови. Они захватывают и разрушают обломки разрушающихся клеток.
Макроглия в эмбриональном периоде подобно нейронам развивается из эктодермы. Она подразделяется на астроцитарную, ологодендроцитарную и эпендимоцитарную глию. Астроциты (или звездчатые глиальные клетоки) – это самые крупные формы глиоцитов, котрые встречаются во всех отделах ЦНС. Астроциты участвуют в создании гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), функция которого состоит в защите мозга от проникновения всех крупных молекул, большинства продуктов патологических процессов и многих лекарств. Олигодендроциты (в периферической нервной системе носят название шванновские) имеют маленькое тело и относительно небольшие, как бы расплющенные отростки. Эти отростки многократно обертывают аксоны нейронов, обеспечивая им изолирующий миелиновый футляр. Миелин – это жироподобное вещество, которое выполняет роль электроизолятора. При утрате миелиновой оболочки вследствие, например, демиелинизирующих заболеваний, передача сигналов из одной части мозга в другую серьезно нарушается, что обычно приводит к инвалидности.
Процесс миелинизации имеет очень большое значение в развитии мозга. Известно, что у новорожденного ребенка миелинизировано примерно 2/3 волокон головного мозга. Примерно к 12 годам завершается следующий этап миелинизации. Это соответствует тому, что у ребенка уже формируется функция внимания, он достаточно хорошо владеет собой. Вместе с тем полностью процесс миелинизации заканчивается только при завершении полового созревания. Таким образом, процесс миелинизации является показателем созревания ряда психических функций. В то же время известны заболевания нервной системы человека, которые связаны с демиелинизацией нервных волокон, что сопровождается тяжелыми страданиями.
Миелинизированные волокна в сотни раз быстрее проводят возбуждение, чем немиелинизированные, т. е. нейронные сети нашего мозга могут работать с большей скоростью, а значит, более эффективно. Поэтому не миелинизируются в нашем организме только самые тонкие волокна (менее 1 мкм в диаметре), которые проводят возбуждение к медленно работающим органам – кишечнику, мочевому пузырю и др. Как правило, не миелинизируются волокна, проводящие информацию о боли и температуре.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие функции выполняет мебрана возбудимых клеток?
2. Какие особенности строения имеют нейроны?
3. Какие функции выплняют нейроны?
4. На чем основана биохимическая классификация нейронов?
5. В чем заключается особенность функционированиия нейронов-дете-кторов?
6. Концентрации каких ионов значительно больше в клетке, чем во внеклеточной жидкости?
7. Каие типы каналов существуют в мембранах нейронов?
8. В чем заключается механизм возникновения мембранного потенциала?
9. При каких условия возникает потенциал действия?
10. Какие функции выполняет нейроглия?
11. Какое значение имеет миелинизация волокон в процессах развития мозга?
12. Из каких клеток состоит и какую функцию выполняет гематоэнцефалический барьер?