Механизмы головного мозга, управляющие движением 8 страница
Для экспериментатора особенно привлекательна кратковременная сенситизация, так как она обещает быть доступной биохимическому анализу. В качестве первого шага мы с Хоукинсом и Кастеллучи идентифицировали специальные клетки в абдоминальном ганглии аплизии, которые создают пресинаптическое облегчение. Вводя животному электроноплотную метку, чтобы наполнить ею нейрон и пометить его синаптические окончания, мы нашли, что последние содержат пузырьки, сходные с обнаруженными у аплизии Л. Школьник (L. Shkolnik) и Дж. Шварцем (J. Schwartz) в нейроне, медиатором которого, как ранее было установлено, является серотонин. В соответствии с возможной серотонинергической природой этой клетки, М. Брунелли (М. Brunelli), Кастеллучи, Т. Томоски-Сайкс (Т. Tomosky-Sykes) и я нашли, что серотонин усиливал моносинаптическую связь между сенсорным нейроном и мотонейроном L7, тогда как другие вероятные медиаторы подобного действия не оказывали.
Далее мы обнаружили интересную связь между серотонином и внутриклеточным посредником — циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). Со времени классической работы И. Сьюзерленда-мл. (Е. Sutherland, Jr.) и его сотрудников в Университете Вандербилта известно, что большинство пептидных гормонов не входят в клетку-мишень, а действуют на рецептор клеточной поверхности и стимулируют фермент, называемый аденилатциклазой; этот фермент катализирует в клетке превращение аденозинтрифосфата (АТФ) в цАМФ, который затем действует как «второй посредник» («первым посредником» является гормон) в нескольких точках внутри клетки и вызывает ряд соответствующих изменений функции.
|
|
|
X. Седар (Н. Cedar), Шварц и я нашли, что сильная и длительная стимуляция проводящего пути, который идет у аплизии от головы и по которому осуществляется сенситизация, через синапс повышала содержание цАМФ во всем ганглии. Седар и Шварц, а также И. Левитан (I. Levitan) и С. Барондес (S. Barondes) показали, что длительное повышение содержания цАМФ можно вызвать также инкубацией ганглия с серотонином. Для выяснения связи между серотонином и цАМФ Брунелли, Кастеллучи и я вводили цАМФ в тело сенсорного нейрона и установили, что он тоже вызывает пресинаптическое облегчение, тогда как инъекция 5'-АМФ (продукта распада цАМФ) или другого второго посредника — циклического ГМФ — не давала такого эффекта.
Поскольку привыкание связано с уменьшением кальциевого тока, заманчиво было думать, что цАМФ производит свое облегчающее действие, усиливая кальциевый ток. Как было сказано, кальциевый ток обычно маскируется калиевым током. Поэтому мы с Клейном проследили за потенциалами действия в сенсорных нейронах, в которых калиевый ток был ослаблен посредством ТЭА. Стимуляция пути, который идет от головы и по которому осуществляется сенситизация, или же стимуляция одиночного облегчающего нейрона, усиливала кальциевый ток, что было видно по удлинению потенциала действия на фоне ТЭА, и это усиление сохранялось 15 минут или дольше. Оно шло параллельно с увеличением выхода медиатора, и параллельно этим двум синаптическим изменениям возрастал рефлекс на сенситизирующий стимул.
|
|
|
Усиление кальциевого тока, выраженное в продлении кальциевого компонента потенциала действия после стимуляции сенситизирующего пути, можно было создать внеклеточным нанесением серотонина или двух веществ, которые повышают внутриклеточный уровень цАМФ, ингибируя фосфодиэстеразу — фермент, катализирующий расщепление цАМФ. Такие же эффекты наблюдались после прямой внутриклеточной инъекции цАМФ, но не 5'-АМФ.
На основании этих данных Клейн и я предположили, что стимуляция облегчающих нейронов сенситизирующего пути ведет к выходу серотонина, который активирует серотонин-чувствительный фермент (аденилатциклазу) в мембране окончания сенсорного нейрона. Возникающее при этом в окончании увеличение количества цАМФ ведет к усиленной активации кальциевого тока либо непосредственно путем активации кальциевого канала, либо косвенно, снижением противодействующего калиевого тока. С каждым потенциалом действия растет приток кальция и выход медиатора.
|
|
|
Главное, что вначале привлекло к использованию аплизии для изучения поведения, было наличие крупных клеток, электрические свойства и связи которых доступны детальному исследованию. А теперь размеры этих клеток могут оказаться еще более выгодными для изучения субклеточных и биохимических механизмов обучения, с одной стороны, и возможных изменений мембранной структуры — с другой. Так, например, интересно узнать поточнее, как повышение уровня цАМФ при сенситизации связано с активацией кальциевого тока, поскольку установление механизма этой связи может послужить первым шагом к пониманию на молекулярном уровне этой простой формы кратковременного обучения.
На память приходит целый ряд механизмов. Как полагают, каналы, по которым ионы проходят через мембрану нейрона, состоят из белковых молекул. Поэтому очевидная возможность состоит в том, что цАМФ активирует одну или более протеинкиназ — ферментов, которые, по предположению П. Грингарда (P. Greengard) из Медицинской школы Йельского университета, могли бы служить общим молекулярным механизмом различных эффектов цАМФ внутри клетки. Протеинкиназы — это ферменты, которые фосфорилируют белки, иначе говоря, присоединяют фосфорильную группу к боковой цепи аминокислот серина или треонина в белковой молекуле и этим придают белкам иной заряд и иную конфигурацию, что меняет их функцию, активируя одни и инактивируя другие. Фосфорилирование могло бы служить эффективным механизмом регуляции памяти. Один из способов, каким могла бы действовать сенситизация, состоит в том, что белок кальциевого канала активируется (или же белок антагонистического калиевого канала инактивируется) при фосфорилировании его протеинкиназой, зависимой от цАМФ.
|
|
|
Модель кратковременной сенситизации и привыкания на уровне одиночного сенсорного нейрона, начиная с контрольной ситуации, когда клетка генерирует импульсы до наступления сенситизации или привыкания. Нервный импульс в концевой мембране нейрона открывает параллельно натриевым каналам (Na + ) ряд каналов для ионов кальция (Са++). Сенситизация вызывается группой клеток L29 (возможно, и другими), которые, как полагают, выделяют медиатор серотонин. Он действует на аденилатциклазу, фермент, катализирующий синтез циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) в нейронных окончаниях. цАМФ повышает приток ионов кальция, возможно, создавая больше кальциевых каналов. Кальций усиливает слияние содержащих медиатор пузырьков с мембраной в местах его выделения, увеличивая вероятность последнего. При привыкании многократная импульсация в окончаниях, возможно, уменьшает число открытых кальциевых каналов, понижая приток кальция и инактивируя синапс.
Сенситизация занимает интересное место в иерархии обучения. Ее часто считают предшественницей классического условного рефлекса. В обеих этих формах рефлекс на стимул усиливается в результате активации другого пути. Сенситизация отличается от условного рефлекса тем, что она не ассоциативна; сенситизирующий стимул повышает рефлекторную реактивность независимо от того, сочетается ли он во времени со стимулом, вызывающим рефлекс. Теперь Э. Гелперин (A. Gelperin) из Принстонского университета, Дж. Мпитсос (G. Mpitsos) и С. Коллин (S. Collins) из Университета Кейса Западной резервной территории, а также Т. Кроу (Т. Crow) и Д. Олкон (D. Alkon) из Национальных институтов здравоохранения к настоящему времени обнаружили у моллюсков несколько типов ассоциативного обучения. Недавно мы с Т. Уолтерсом (Т. Walters) и Кэрью получили доказательства ассоциативного обучения у аплизии. Поэтому скоро мы будем в состоянии точно проанализировать, как механизмы сенситизации соотносятся с механизмами ассоциативного обучения.
Другое возможное теперь направление исследования состоит в рассмотрении связи между исходным развитием нейронной цепи у эмбриона и ее последующей модификацией обучением. И при развитии, и при обучении в нервной системе происходят функциональные изменения — меняются эффективность синапсов и другие свойства нейронов. Как соотносятся такие изменения? Основаны ли механизмы обучения на механизмах пластичности, проявляющейся во время развития или же позднее формируются совершенно новые специализированные для обучения процессы?
Какими бы ни оказались ответы на эти интригующие вопросы, при исследовании беспозвоночных животных возникло поразительное и обнадеживающее обстоятельство: теперь стало возможным точно локализовать и наблюдать на клеточном - а в конце концов, возможно, и на молекулярном - уровне простые свойства памяти и обучения. Хотя для сложного головного мозга высших животных характерны некоторые высшие проявления умственной деятельности, теперь стало ясно, что элементарные свойства того, что считается мыслительными процессами, можно обнаружить в активности лишь очень малого числа нейронов. Поэтому и с философской, и с методической точек зрения интересно будет узнать, в какой степени высшие формы мышления можно объяснить действием более простых компонентов и механизмов. В той мере, в какой возможны такие редукционистские объяснения, важно также установить, как единицы этой элементарной азбуки комбинируются для создания языка гораздо более сложных мыслительных процессов.
У. НАУТА, М. ФЕЙРТАГ
Организация мозга
Головной и спинной мозг млекопитающих, включая человека, состоит из нескольких миллиардов нервных клеток, причем отдельные нейроны могут быть связаны с тысячами других. Как же организована эта огромная трехмерная сеть?
Мы видим два общих подхода к представлению о нейроанатомии. Первый — высокопарный: утверждается, что мозг — вместилище ума, чувств и желаний, памяти и способности учиться, и того любопытного ощущения, которое свойственно людям, — ощущения будущего. Затем мы начинаем внимательно рассматривать, как этот таинственный орган выглядит, так сказать, «во плоти». Определенные части мозга, в особенности кора больших полушарий, удивительным образом организованы; другие поражают своей кажущейся неупорядоченностью. Но даже и самые высокоупорядоченные структуры, в которых организация нейронов и разнообразных связей между ними напоминает электронные схемы, сопротивляются нашим сегодняшним попыткам понять их.
О порядке и беспорядке в клеточной организации мозговых структур можно судить по этим двум микрофотографиям. Обе они представляют тонкие срезы мозга кошки, которые подверглись двойному окрашиванию: по методу Гольджи, позволяющему выявить некоторые из нейронов со всеми их отростками в виде черных силуэтов, и по методу Ниссля, приводящему к окрашиванию всех клеточных тел в синий цвет. Метод Гольджи обеспечивает прокрашивание только 5 или менее процентов всех нейронов, по-видимому, по случайному выбору; если бы прокрашивались все нейроны, данная ткань выглядела бы однородно черной. А. Зубчатая извилина гиппокампа; тела нейронов в форме продолговатых пирамид располагаются в ряд, отсылая свои отростки почти параллельным пучком. Б. Микрофотография относится к крупноклеточной ретикулярной формации. Здесь нейроны образуют неупорядоченную сеть.
Второй подход более прозаический. Мозг просто подразделяется на части, поскольку подходящие методы окрашивания выявляют в одних местах скопления нейронов, опутанных густой сетью их же собственных нитевидных отростков, в других же ткань состоит в основном из длинных Волокон нервных клеток — аксонов, которые обслуживают связи на далекие расстояния в нервной системе. Ткань первого рода — это серое вещество, второго — белое вещество.
Конечно, есть искушение приписать каждой области какую-нибудь функцию, как если бы мозг в целом был чем-то вроде радиоприемника. Но существо работы центральной нервной системы - головного и спинного мозга — это проведение входящей сенсорной информации к множеству структур и конвергенция на нейронах, которые возбуждают эффекторные органы: мышцы и железы. Следовательно, система в целом обладает свойствами, выходящими за пределы тех, которые можно обнаружить у простого набора модулей.
Возьмем, например, такую структуру мозга как субталамическое ядро. Его разрушение у человека ведет к моторной дисфункции, известной под названием гемибаллизма, при которой больной делает непроизвольные движения, как бы бросая мяч. Следует ли отсюда, что нормальной функцией субталамического ядра должно быть подавление движений, напоминающих бросание мяча? Конечно, нет; данное состояние больного только дает представление о работе центральной нервной системы, выведенной из равновесия отсутствием субталамического ядра.
Мы упоминаем эти вещи, чтобы установить ограничения для любых объяснений анатомии мозга. Мы дадим здесь какое-то объяснение, но оно по необходимости будет несколько расплывчатым. Делать иного рода предположения было бы просто неправомерно.
Полезно сделать некоторые предварительные замечания. В первые десятилетия этого века Дж. Паркер (G. Parker) из Йельского университета искал самую примитивную рефлекторную дугу. Такие дуги были идентифицированы у позвоночных животных; это состоящие из одного или нескольких нейронов пути, с помощью которых возбуждение, порождаемое сенсорным стимулом, действующим на некоторую часть тела, может быть проведено к эффекторной ткани и, соответственно, вызвать движение. Во времена Паркера рефлекторные дуги рассматривались как простейшие схемы, посредством которых природа объединяет клетки в нервную систему; в соответствии с этим было широко распространено мнение, что нервная система возникает тогда, когда некоторый организм приходит к необходимости иметь какую-нибудь клетку или цепочку клеток для посредничества между внешним стимулом и ответным движением животного. Со временем предполагалось установить, что у более развитых организмов эволюция нервной системы продвигалась вперед путем увеличения числа и сложности таких цепочек.
Сначала внимание Паркера привлекли эпителиальные слои некоторых морских гидроидных полипов и актиний, потому что иногда они содержали клетки, которые выглядели (если были подходящим образом окрашены) как нейроны. У основания такой клетки Паркеру удалось разглядеть начало нити, весьма похожей на аксон, которая, подходя к мышечному волокну, разветвлялась. Паркер не был уверен в том, что тут образовывался контакт, но предположил, что между аксоном и мышечным волокном устанавливается какая-то связь. Конечно, он был прав, но это устройство весьма примитивно; его схему можно было бы назвать однонейронной нервной системой, поскольку вся линия проведения состоит всего лишь из одной клетки. Что такая нервная система будет делать в ответ на стимул, столь же предсказуемо, как и то, что будет делать дверной звонок, если нажать на кнопку. В то же время относительно нервной системы человека ясно, что поведение, на которое она делает способными человеческие существа, самое что ни на есть непредсказуемое.
Очевидно, что-то должно вмешиваться в работу механизма дверного звонка, и потому Паркер исследовал ситуацию у несколько более сложных организмов. В эпителиальном слое у некоторых полипов и медуз он обнаружил нейронные структуры, сходные с найденными им ранее. Однако под эпителием он теперь нашел дополнительные нейроны, которые вместе образовали широко разветвляющуюся сеть. Таким образом, нервная система этой второй группы организмов оказалась усложненной : нейроны эпителиального слоя образовывали контакты с субэпителиальной сетью, а клетки этой сети в свою очередь образовывали контакты с сократимыми тканями в глубине организма. Следовательно, уже можно было говорить о двухнейронной нервной системе, в которой сенсорные нейроны (у этих простых созданий нейроны лежат вблизи поверхности и находятся в непосредственном контакте с окружающей средой) связаны с мотонейронами (нейронами, которые образуют контакты с эффектерными клетками, в данном случае — сократимыми клетками, и, значит, по существу, с мышечными волокнами).
Остается ли эта сеть в высшей степени предсказуемой? По-видимому, нет. Предположим, что мотонейроны связаны друг с другом и на вход каждого из них поступают не только сообщения, идущие из окружающей среды через посредство сенсорных нейронов, но и сообщения от соседних мотонейронов. Вообразим далее, что некоторые из этих сообщений могут быть возбуждающими, т.е. заставляют данный мотонейрон с большей готовностью генерировать и передавать свои собственные сигналы в ответ на поступление других сигналов, и что другие сообщения могут быть тормозными. В таких условиях приходится решать вот какую задачу: чтобы предсказать, что будет делать некоторый нейрон в ответ на различные входные сигналы, нужно алгебраически просуммировать возбуждающие и тормозные сообщения, которые на нем конвергируют.
Возможно, что такое двухнейронное устройство позволяет облагодетельствованной природой медузе быть более непредсказуемой в своем поведении, чем актинии и другие организмы с однонейронной нервной системой. Однако затем следует дальнейшее достижение, и оно тоже обнаружено у очень примитивных организмов — некоторых других меду:». В каком-то смысле это высшее достижение, так как и нервная система таких медуз, и нервная система чело века — обе состоят по существу только из трех классов нейронов. У этих медуз, как и у человека, сенсорные нейроны, как правило, больше не связаны непосредственно с мотонейронами. Между этими двумя элементами развивается барьер из нейронов, которые имеют взаимосвязи не только с мотонейронами, но и друг с другом.
Правда, этот третий и последний шаг, возможно, уже был сделан всеми организмами, которые имеют субэпителиальную сеть нервных клеток. Выше, при рассмотрении двухнейронной нервной системы, предполагалось, что все клетки, составляющие этот слой, — мотонейроны, т.е. клетки, иннервирующие эффекторные ткани. Однако в действительности такие связи могут устанавливать только некоторые из многих субэпителиальных клеток. Остальные могут располагаться в сплетении таким образом, что получают на вход сингалы от сенсорных нейронов эпителия, а сообщаются лишь с другими нейронами того же типа или с мотонейронами, но не с эффекторными структурами. Не являясь ни сенсорными, ни моторными, они служат посредниками при проведении сигнала по сенсомоторному пути.
Короче, здесь тоже имеются промежуточные (вставочные) нейроны. Хотя трехнейронную организацию трудно вычленить в диффузной нейронной сети, она широко представлена на более поздних стадиях эволюции; у животных, более высоко развитых, чем медузы, диффузная субэпителиальная нервная сеть концентрируется либо в последовательность сегментарных ганглиев (скоплений нейронов), либо в единую несегментированную центральную нервную систему. Таким образом, критическим моментом явилось изобретение «великой промежуточной сети» — барьера из промежуточных нейронов, которые вклинились между сенсорными нейронами и мотонейронами, на раннем этапе эволюции животных.
Насколько далеко зашел прогресс в развитии этой промежуточной сети на сегодняшний день, легче всего показать с помощью некоторых цифр. Начнем с вопроса о том, сколько нейронов в центральной нервной системе человека. В качестве ответа часто можно услышать: порядка 1010. Это результат подсчета вставочных нейронов и мотонейронов, ибо случилось так, что настоящие сенсорные нейроны лежат не в центральной нервной системе, а в ганглиях, которые расположены вне головного и спинного мозга. Это весьма привлекательная цифра, которую легко запоминать и использовать. И все же имеются еще классы нейронов, которые столь малы и столь плотно упакованы, что оценить их число трудно или невозможно. Один из таких классов — это клетки-зерна. Как раз в одной из частей головного мозга — мозжечке — находится так много клеток-зерен, что величина 1010 нейронов для всей центральной нервной системы становится сомнительной. Общее число вполне может быть на порядок, а возможно, и на два порядка больше.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 131; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!