Центральное звено рефлекторной дуги
Займемся далее изучением процессов, происходящих в центральном блоке нашей блок-схемы. Здесь осуществляется обработка информации, создание программы, принятие решения и выработка команды для эффекторов. Вся эта сложная работа производится нейронами, из которых состоит рефлекторная дуга, и многочисленными синапсами, обеспечивающими взаимодействие между нейронами.
Материальными носителями информации являются импульсы возбуждения, которые обрабатываются в процессе их проведения в центральной части рефлекторной дуги.
В центральной нервной системе сравнительно мало афферентных и еще меньше эфферентных нейронов. Она на 99% состоит из вставочных клеток. Возбуждение, попав в центральную часть рефлекторной дуги, распространяется по многочисленным веточкам афферентного дендрита, контактируя с большим числом возбуждающих и тормозных вставочных нейронов.
По мере обработки импульсы концентрируются, конвергируя на малом количестве эфферентных нейронов. Получается нечто похожее на воронку, которая так и называется – воронка Шеррингтона, по имени крупнейшего английского физиолога, впервые заметившего эту закономерность.
Проведение и обработка информации в центральной части рефлекторной дуги зависит от функционального состояния ее нейронов и от того, в каком виде эта информация закодирована. Поэтому здесь уместно будет рассмотреть основные принципы кодирования информации в центральной нервной системе.
Принципы кодирования информации в центральном звене рефлекса
В основном передача информации между нейронами осуществляется с помощью потенциалов действия, хотя не исключаются так называемые полевые и гуморальные воздействия, когда связь между нейронами осуществляется посредством слабых, безымпульсных электротонических влияний (воздействие электрическим полем) или с помощью специфических гормональных веществ.
Здесь мы рассмотри импульсное кодирование информации, которое осуществляется с помощью токов действия.
Принцип «меченой линии»
В 1926 г. знаменитый немецкий физиолог Мюллер сформулировал закон, получивший название «закона специфической энергии органов чувств». Согласно этому закону, каждому органу чувств, начиная от рецепторов и кончая нейронами коры головного мозга, свойственны особые качества, которые он называл энергиями. По Мюллеру раздражитель, действуя на сенсорный канал, лишь освобождает врожденную, скрытую в нем «специфическую энергию», которая и вызывает ощущение.
Идея, высказанная Мюллером, в определенном аспекте используется в современных гипотезах кодирования информации, сообщающей о качественной характеристике раздражителя.
По современным представлениям, сенсорные рецепторы, чувствительные к раздражению одного качества, и их центральная проекция организованы таким образом, что любая информация от этих рецепторов будет оцениваться как сообщение об этом качестве. Иными словами, качественные характеристики раздражителей оцениваются центральной нервной системой посредством специфических сенсорных каналов, соединяющих данное рецепторное поле с определенными центрами.
Такие каналы получили название «меченых линий», они свойственны многим, но не всем сенсорным путям. Например, показано, что во вкусовом анализаторе сигналы о действии различных химических веществ возникают в одних и тех же рецепторах и передаются по одним и тем же волокнам.
Принципы частотного и интервального кодирования
Принцип частотного кодирования является одним из наиболее распространенных принципов кодирования силы раздражителя. Чем сильнее раздражитель действует на рецептор, тем более высокую частоту импульсов этот рецептор посылает в центральную нервную систему. Иногда такой вид кодирования называют «среднечастотным», подчеркивая таким образом, что для «читающего» нейрона (принимающего информацию) имеет значение количество импульсов. А не временные соотношения между ними.
В обработке частотного кода большое значение имеет феномен суммации, проявляющийся при проведении возбуждения в рефлекторной дуге.
В связи с этим остановимся более подробно на механизме данного феномена.
Временная суммация
В зависимости от амплитуды генерируемого постсинаптического потенциала (ПСП) все афферентные пресинаптические терминали (например, окончания чувствительных нейронов) можно разделить на две крайние категории. К первой относятся волокна, которые ложатся параллельно дендриту и телу клетки, образуя с ними множественные контакты, своего рода составной синапс.
Такое устройство включает в себя 10 – 15 концевых бляшек размером 6 – 8 мкм, контактирующих с нейроном на площади 1000 мкм2. Этот гигантский синапс генерирует ПСП большой амплитуды, способный посредством одного импульса вызвать разряд нейрона. В этом случае суммация не нужна и передача информации осуществляется небольшим числом импульсов.
К другой категории относятся синапсы, создающие постсинаптический потенциал малой амплитуды, они обычно имеют размеры 0,5 мкм и способны вызвать лишь местную деполяризацию мембраны нейрона. Для обработки информации и проведения возбуждения в этих афферентных каналах большое значение имеют процессы временной суммации.
Для временной суммации единственным значимым параметром является средняя частота импульсов. Каждый импульс, пришедший по афферентной терминали, вызывает (как уже говорилось выше) местный процесс на мембране нейрона. Маленький синапс выделяет слишком мало медиатора, чтобы создать на постсинаптической мембране возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), способный вызвать ответный разряд нейрона.
В связи с этим надо послать по афферентному каналу серию импульсов с таким расчетом, чтобы каждый из них приходил к синапсу раньше, чем разрушится медиатор, выделенный предыдущим, а также, чтобы число импульсов было достаточным для вызова эффекта. Этим условиям и соответствует среднечастотный код информации.
Временная суммация имеет значение и при интервальном кодировании. В этом случае изменяются интервалы между «пачками» импульсов, а их средняя частота остается постоянной. Такой вид кодирования был показан на примере вкусового анализатора. Обнаружено, что при действии различных вкусовых раздражителей (NaCl и сахарозы) интенсивность раздражения кодируется частотой импульсов, а качество – интервалами между ними.
Обычно таким образом закодированная информация включает в себя не единичные интервалы, а их набор, создающий определенный рисунок (pattern), передающий сообщение.
Механизмом, обеспечивающим такую форму кодирования, также является временная суммация. От частоты афферентных импульсов, их суммирования зависит амплитуда ВПСП на постсинаптической мембране нейрона и его способность к генерации импульсов возбуждения. Интервал же между «пачками» определяется состоянием возбудимости нейрона после разряда (деполяризацией или гиперполяризацией мембраны).
Пространственная суммация и пространственно-временное кодирование
Наряду с временной суммацией, при проведении возбуждения и обработке информации, в рефлекторной дуге проявляется пространственная суммация. Этот механизм включается при обработке любого кода, особенно при пространственно-временном кодировании.
При различных видах кодирования необходимо учитывать, что сенсорные сигналы передаются к одному и тому же нейрону по многим чувствительным волокнам. Соответственно, слабые эффекты, которые возникают в отдельных синапсах, при условии их воздействия на один и тот же нейрон суммируются и вызывают разряд клетки.
В составе рецепторного поля могут быть рецепторы, которые быстро адаптируются, генерируя один – два импульса возбуждения. Они имеют короткий латентный период и посылают сигналы сразу же, как только подействует раздражитель. Наряду с такими рецепторами есть медленно адаптирующиеся, с длинным латентным периодом. Благодаря различию во времени включения и характеру адаптации появляется возможность судить о времени и месте действия стимула, т.е. происходит пространственно-временное кодирование уже на уровне рецепторного поля.
Благодаря такому устройству рецепторных полей в центральную нервную систему приходит поток импульсов, сигнализирующих как о силе, так и о времени и месте действия раздражителя. Эти импульсы замыкаются на одном нейроне и обрабатываются с помощью временной и пространственной суммации. Результатом такой обработки является генерация эфферентного кода, в котором оцениваются все три параметра.
Односторонность проведения, время рефлекса, трансформация ритма, последействие
Наряду с суммацией в обработке информации при проведении возбуждения в рефлекторной дуге принимают участие и другие механизмы.
Как известно, в периферическом нерве возбуждение одинаково хорошо проводится в оба направления. В отличие от нерва, в рефлекторной дуге информация распространяется только в одном направлении – с афферентной (части) на эфферентную часть. Односторонность проведения зависит от синапсов, в которых перенос возбуждения возможен только с пресинаптической на постсинаптическую мембрану.
Важную роль при проведении возбуждения в рефлекторной дуге играет «время рефлекса». Этим термином обозначают время от начала раздражения до проявления реакции. Время рефлекса включает: период возбуждения рецептора, проведения возбуждения в афферентной части дуги, через центральную ее часть, в эфферентном звене и, наконец, время срабатывания эффектора. Из всех этих параметров наиболее длительный период составляет проведение возбуждения в центральной части дуги, так называемое время «центральной задержки», которое зависит от синапсов. Проведение возбуждения через один синапс составляет всего 0,5 м/с, однако при прохождении возбуждения через центральную часть рефлекторной дуги ему приходится преодолевать, как правило, много синапсов, и в результате общее время центральной задержки оказывается весьма значительным. Чем сложнее центральная часть рефлекторной дуги, тем больше в ее составе нейронов и синапсов, тем, соответственно, длиннее время «центральной задержки».
В процессе обработки информации в рефлекторной дуге проявляется феномен трансформации ритма. Это явление заключается в переработке нейронами ритма импульсов, приходящих по афферентным терминалям в свой собственный ритм.
При действии раздражителя рецепторы посылают в центральную нервную систему большое количество импульсов возбуждения. Если бы все импульсы передавались эффектору без обработки, его функционирование было бы невозможным. Например, мышца хорошо сокращается, когда ее стимулируют импульсами с частотой 30 – 50 имп/с., при более высокой частоте возникает явление «пессимума» (см. далее), и мышца расслабляется.
Соответственно, афферентные импульсы, поступая в центральную часть рефлекторной дуги, должны подвергаться существенной переработке вставочными, командными и исполнительными нейронами, чтобы приобрести ритм, оптимально приспособленный для управления эффекторами.
Обработка осуществляется на теле, дендритах и аксональном холмике нейрона. Импульсы, приходящие по афферентам, которые оканчиваются большими синапсами, непосредственно вызывают разряд нейрона, частота и длительность которого зависит от функционального состояния его тела и аксонального холмика.
Большинство же импульсов, поступающих через маленькие синапсы, не вызывают разряд нейрона. Как уже говорилось ранее, маленькие синапсы, которые во множестве контактируют с дендритами и телом нейрона, способны вызвать лишь местные процессы деполяризации мембраны. Для того чтобы обеспечить достаточную разность потенциалов между телом нейрона и его аксональным холмиком, надо суммировать местные процессы, т.е. применить механизмы временной или пространственной суммации.
В результате суммации множества импульсов возникает достаточная разность потенциалов, и аксональный холмик начинает генерировать трансформированный ритм.
Определяет частоту этого ритма длительность гиперполяризации мембраны аксонального холмика, которая возникает после каждого тока действия. В этой фазе мембрана холмика имеет низкую возбудимость и возникновение следующего импульса невозможно. Соответственно, регулируя длительность гиперполяризации, можно заставить аксональный холмик генерировать любой, оптимальный для эффектора, ритм импульсов.
Предполагается, что механизм регулирования связан с работой Na-, К-насосов (см. 1-ю часть пособия, стр. ). Возможно также, что в нем принимают части ионы Са2+, которые входя в холмик при возбуждении и препятствуют закрытию (инактивации) калиевых каналов. Соответственно, излишнее количество выходящих из холмика ионов калия создает гиперполяризацию его мембраны, снижая ее возбудимость.
Реакция последействия
Важным свойством рефлекторной реакции является последействие – продолжение ее после окончания действия раздражителя. Последействие наблюдается и при непосредственном действии раздражителя на эффектор, например скелетную мышцу, но в этом случае оно бывает кратковременным и зависит от ее физико-химических свойств.
При рефлекторном возбуждении той же мышцы последействие более выражено и зависит от импульсов, идущих из центральной нервной системы.
Чем сложнее рефлекторная дуга, чем больше вставочных нейронов входит в её центральную часть, тем длительнее реакция последействия эффектора, которым она управляет. Каков же механизм последействия?
(продолжительнее).
Существует ряд теорий, которые отражают различные стороны этого сложного процесса.
Наиболее ранняя гипотеза объясняет последействие остаточным возбуждением двигательного нейрона, который продолжает короткое время посылать импульсы к эффектору после пережитого раздражения. Как уже говорилось выше, генерация импульсов аксональным холмиком возникает в результате разности потенциалов между ним и телом клетки. До тех пор, пока существует эта электрическая асимметрия, холмик будет генерировать импульсы и эффектор осуществлять реакцию.
При сильном раздражении и соответствующем функциональном состоянии вставочных и двигательных нейронов (например, при отсутствии торможения) реакция может продолжаться 2 – 4 с.
Другая теория, мультипликационная, дополняет предыдущую. Она основывается на особенностях строения аксона афферентного нейрона. Известно, что при вхождении в спинной мозг аксон разделяется (делится) на многочисленные веточки различной длины и диаметра, имеющие разную скорость проведения импульсов. Оканчиваясь на одном и том же нейроне, синапсы этих терминалей будут асинхронно воздействовать на его мембрану, длительное время, поддерживая ее деполяризацию и, соответственно, генерацию импульсов аксональным холмиком.
Существуют, по крайней мере, еще две теории, пытающиеся объяснить происхождение последействия. Одна из них основана на особенности устройства эфферентного аксона, другая – на существовании нейронов, обладающих так называемым пейсмекерным потенциалом.
Обнаружено, что аксоны эффекторных нейронов имеют коллатеральные веточки, которые возвращаются обратно в спинной мозг, где контактируют с возбуждающими и тормозными вставочными нейронами. Последние образуют синапсы с теми же эффекторными нейронами, которые дают коллатерали. В результате создаются условия для циркулярного движения возбуждающих и тормозных импульсов, которые могут сколь угодно долго «бомбардировать» нейроны и поддерживать их следовое возбуждение.
Эта теория могла бы хорошо объяснить механизм последействия, но, к сожалению, коллатерали чаще образуют не положительную, а отрицательную обратную связь, оканчиваясь, главным образом, на тормозящих вставочных клетках. Поэтому данный механизм обычно служит для самоограничения активности эфферентных нейронов, а не для их стимуляции.
Теория пейсмекерных нейронов основывается на существовании в центральной нервной системе (особенно в ретикулярной формации) нейронов с мембраной, которая периодически, слабо (в пределах 5 – 10 мВ) де- и гиперполяризуется. Эти изменения происходят на мембране и сами по себе не могут привести к возникновению импульсов, распространяющихся по аксону.
Однако вызванная ими деполяризация мембраны может суммироваться с афферентными импульсами, приходящими к нейрону, и поддерживать его длительное возбуждение, т.е. реакцию последействия.
Возможно, этот же механизм участвует в проявлении феномена «облегчения». Возникающего при проведении возбуждения в рефлекторной дуге. Облегчение выражается в сокращении времени «центральной задержки». Изменение при этом возникает в синапсах вставочных нейронов. Афферентные импульсы, неоднократно проходящие через одни и те же синапсы, производят длительные изменения на пре- и постсинаптической мембранах, в результате чего синапс улучшает проведение возбуждения. Соответственно, и вся центральная часть рефлекторной дуги сокращает время обработки информации.
Если в составе рефлекторного центра имеются пейсмекерные нейроны, то они могут участвовать в феномене облегчения. Способствуя его возникновению. Как уже говорилось ранее, эти импульсы могут суммироваться со слабыми, самопроизвольными колебаниями потенциала мембраны нейрона и вызвать облегчение его возбуждения.
Специальный интерес представляет механизм неустойчивого состояния мембраны пейсмекерных нейронов, поскольку он может лежать в основе ряда особенностей обработки информации в центральном звене рефлекса.
Впервые это явление обнаружили на нейронах моллюсков, а в более позднее время, в связи с усовершенствованием микроэлектронной техники, - у высших животных. Обращает на себя внимание, что, как правило, осцилляции такого рода у высших животных встречаются в эмбриогенезе и филогенетически более древних отделах центральной нервной системы (например, в ретикулярной формации).
В процессе созревания самопроизвольные колебания потенциала на мембране исчезают, и разряды нейронов начинают полностью зависеть от активности синапсов. Можно предположить, что в основе механизма осцилляций лежит спонтанная активация и инактивация ионных каналов, а скорее всего – кальциевых.
Мембраны клеток организма снабжены различными видами кальциевых каналов. На нейронах локализованы главным образом N- и Р- каналы, которые снабжены пятью воротными заслонками, активирующими и инактивирующими канал в зависимости от многих обстоятельств. Ниже приведена схема кальциевого канала (рис. 8) и дано краткое описание, из которого видно, какое большое число факторов может влиять на его пропускную способность.
Рис.8.Схем молекулярного строения кальциевого канала: Р – пора канала, заполненная водой, F – Са2+ селективный центр, соединенный с ионом кальция, AG – IG –потенциалзависимые активирующие и инактивирующие заслонки, CaG – Ca2+-кальцийзависимая заслонка, PG – Pi – метаболическая заслонка. Объяснение в тексте
Во входных воротах находится селективный центр, который, связываясь с Са2+, обеспечивается избирательность канала. Установлено, что в отсутствии связи с кальцием (например, при низком его содержании в окружающей среде) канал теряет свою избирательность и начинает пропускать ионы натрия и калия. Уже одно это обстоятельство моет вызвать колебания поляризованности мембраны.
В средней части канала находится заполненная водой пора (Р), которая образована гидрофильными остатками аминокислот. Воротный механизм состоит из сенсора, улавливающего величину заряда мембраны, и двух потенциалзависимых заслонок – активирующей (АG) и инактивирующей (IG), которые в зависимости от разности потенциалов на мембране открывают и закрывают канал.
На внутренней поверхности мембраны канал снабжен Са – зависимой (СаG – Са2+) и метаболической заслонками (PG – Pi).
Первая из них, работая как механизм обратной связи, перекрывает канал, когда кальций накапливается в цитоплазме в больших количествах, вторая – открывает и закрывает канал в зависимости от метаболических процессов в цитоплазме нейрона.
Все виды движения заслонок зависят от фосфорилирования и дефосфорилирования входящих в их состав субъединиц. В свою очередь, этот процесс осуществляется протеинкиназами, в том числе протеинкиназой С, которая активируется в пре- и постсинаптической мембране при работе синапсов, а также вследствие метаболических процессов в цитоплазме тела нейронов.
Сложная воротная система кальциевого канала делает его работу зависимой от многих факторов и повышает вероятность утечки ионов. Такая утечка вызывает подпороговые волны де- и гиперполяризации. Их осциллирующая форма, возможно, зависит от заслонки с обратной связью, а сам запуск этих волн – от метаболических заслонок.
В результате на теле нейрона появляются местные подпороговые изменения потенциала, которые, суммируясь, вызывают его разряд и образование кальциевых биотоков. Деполяризующее действие кальциевых каналов на мембрану может вызвать активацию натриевой системы, и тогда к кальциевым колебаниям потенциала прибавятся натриевые биотоки.
Таким образом, согласно одной из наиболее современных теорий, пейсмекерный механизм нейронов зависит о поведения кальциевых каналов. Попутно отметим, что этот механизм лежит в основе функции и других органов, обладающих автоматизмом, например сердца, кишечника и пр.
Вернемся теперь к феномену последействия. Возможно, что афферентные импульсы, действуя через синапсы на протеинкиназный механизм нейрона, повышают его пейсмекерную активность и создают условия для длительных следовых процессов. Как уже говорилось выше, тот же механизм может быть использован для объяснения феномена облегчения. В этом случае включение пейсмекерных нейронов вызовет повышение возбудимости нейронных цепей и облегчит проведение возбуждения.
Кроме кальциевой теории происхождения пейсмекерной активности нейронов, существует теория, основанная на Na-, К – АТФазном механизме. Согласно этой теории, активно работающий на мембране насос, возвращая в нейрон 2 иона К+ и удаляя из него 3 иона Na+, деполяризует мембрану на -5 – 10 мВ.
Примерно в том же диапазоне колеблются и пейсмекерные потенциалы. Такое совпадение, а также связи пейсмекерных потенциалов с клеточным дыханием позволяют «обвинить» в этом процессе Na-, К-насос.