Васильев Ю.Г гомеостаз и пластичность мозга

Ю.Г. Васильев, Д.С. Берестов

ГОМЕОСТАЗ И ПЛАСТИЧНОСТЬ МОЗГА

Монография

Ижевск 2011

УДК 572.788 ББК 28.7

B 19

Рецензенты:

Г.В. Шумихина – доктор мед. наук, профессор, зав. кафедрой цитологии, гистологии, эмбриологии ГБОУ ВПО Ижевская ГМА;

Н.Е. Сабельников – доктор мед. наук, доцент кафедры анатомии ГБОУ ВПО Ижевская ГМА

Васильев, Ю.Г.

B 19 Гомеостаз и пластичность мозга : монография / Ю.Г. Васильев, Д.С. Берестов. – Ижевск : ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2011. – 216 с.

ISBN 978-5-9620-0194-4

В монографии рассматривается проблема взаимодействия нейронов и их глиальнотрофического окружения, некоторые системные взаимодействия, поддерживающие гомеостаз мозга, и роль его изменений в патологии. Анализ результатов многолетних наблюдений, данных отечественных и зарубежных исследователей, а также собственные эксперименты позволили авторам выдвинуть концепцию, поясняющую некоторые стороны функций центральной нервной системы. Предложена точка зрения о значимых различиях между функционированием центральной и периферической нервной системы млекопитающих. Указывается, что объяснение многих сторон деятельности мозга невозможно лишь через описание функций нейронов и даже их ансамблей, а требует учета нейронального окружения.

Книга предназначена для специалистов нейробиологов, нейрофизиологов и нейроморфологов, студентов вузов, может быть полезна практическим врачам, преподавателям и широкому кругу людей, интересующихся вопросами биологии мозга.

УДК 572.788 ББК 28.7

© Васильев Ю.Г., Берестов Д.С., 2011 © ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА,

2011ISBN 978-5-9620-0194-4

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемая читателю монография является попыткой обобщить представления об организации и жизнедеятельности мозга как целостной органной системы, сопоставить современные представления различных направлений нейронауки о механизмах гомеостаза и изменчивости нервной системы. Крайняя сложность нервной системы, разнообразие ее функций, и в соответствии с этим – методов исследования, создали, как впрочем и во всей биологии, проблему узкой специализации. Это, в свою очередь, породило трудности в осмыслении того гигантского материала, который имеется в современной нейробиологии. Авторы попытались обобщить имеющийся в их распоряжении материал и сгруппировать его по некоторым позициям, освещающим те стороны деятельности мозга, которые обычно рассматриваются с узкоспециальных позиций и недостаточно освещены в научной и учебной литературе.

Несмотря на горы лавинообразно нарастающей информации о нервной системе, история ее научного изучения не очень продолжительна. По сути, она начинается с середины XIX в. Лишь в 1865 г. О. Дейтерсом на примере мотонейронов были описаны отростки, которые позже были идентифицированы как дендриты и аксон.

К. Гольджи в 1873 г., проводя исследования в крайне стесненных обстоятельствах, разработал свой метод окрашивания (импрегнации) нервной ткани солями серебра, который позволил выявить отдельные нервные клетки (одну из сотен) и изучить весь комплекс их отростков. Модификации метода позволяли исследовать и глиальные элементы. Но по-настоящему оценил его метод исследования С. Рамон-и-Кахал, который усовершенствовал метод Гольджи и разработал свои методики, которые позволили ему в 1888–1891 гг. оформить цикл статей, послуживших основой для нейронной теории. Сформулировал ее в 1891 г. В. Вальдейер, рассматривая в основе нервной системы клетки, которые он назвал нейронами. Окончательно доказанной морфологическими методами теория может считаться с 50-х гг. XX в., когда было установлено, что каждый нейрон полностью окружен мембраной (Уолтер Г., 1963). Нейронная теория рассматривает нервную систему как структуру, составленную отдельными единицами (нейронами). Каждый нейрон, наряду с обычными для всех клеток свойствами, обладает способностью к переработке и передаче информации. Важнейшей способностью, обеспечивающей данную функцию, рассматривают формирование у нейронов потенциала действия. Это связано с тем, что если клетка в покое обладает высокой степенью полярности плазмолеммы (мембранный потенциал покоя), то при возбуждении проис-

4

ходит ее деполяризация, что сопровождается возможностью передачи волны деполяризации на весьма отдаленное расстояние. Возможность сохранения сигнала при распространении его на большое расстояние в клетке необходимо предполагает и специальный аппарат для его передачи от одной клетки к другим. Эта функция опосредована специальными контактами – синапсами. На более элементарном уровне клетка сформирована внутриклеточными образованиями, имеющими типичное строение для специализированных клеток эукариот. В этом издании мы не будем сильно углубляться в элементарные структуры нейронов и других клеточных и неклеточных структур нервной системы, упоминая их по необходимости.

Нейроны, согласно классическим представлениям, составляют сложные цепи и сети, в которых осуществляется обработка информации и обеспечиваются ответы, в том числе определяющие поведение животного и человека. Предполагается, что вариант ответа на раздражение зависит от особенностей строения и сложности этих систем и мозга в целом.

Что же нового привносит современная концепция к классическим представлениям? Уже согласно мнению Г. Шаперда (1987), в нейроне, наряду с единственным вариантом входа и выхода информации через химические синапсы, обнаруживаются и иные способы ее передачи – щелевидные контакты. W.R. Loewenstein (1981) предлагал считать элементарной пространственной единицей не отдельную клетку, а ансамбль связанных между собой нейронов. В связи с этим возрастала роль не только нейронов, но и прилежащего глиального и сосудистого окружения. Современные данные позволяют расширить это представление, указывая на возможность внесинаптических взаимодействий. Такое влияние оказывается не только на низкомолекулярные органические и неорганические мономеры, но и на часть полимерных образований, с включением в систему узких межклеточных пространств как путей распространения веществ и весьма значимого элемента контроля нейронной активности. Таким образом, при изучении основных особенностей организации мозга необходимо учитывать не только нейронную организацию, но и все окружение, осуществляющее поддержание гомеостаза в мозге и способное существенно изменять функцию.

Данное предположение подкрепляется несколькими положениями, выдвинутыми Ч. Шеррингтоном (1969). Им были выявлены некоторые интересные закономерности функционирования нервной системы. В частности, он указывал на более значительную изменчивость пороговых величин раздражения в рефлекторных дугах по сравнению с нервными стволами. Это, согласно современным представлениям, мо-

5

жет быть связано с динамикой в синаптической передаче или с модуляцией сигнала, обусловленной влияниями ближайшего глиального окружения, а также перераспределением ионного содержимого межклеточного вещества при длительном возбуждении как самих активируемых, так и прилежащих к ним нейронов. Другое положение, выдвинутое Ч. Шеррингтоном, указывает на большую зависимость от кровообращения и снабжения кислородом в нейронных системах по сравнению с передачей сигнала в отдельном нервном волокне. Этот факт может заключать в себе как известную зависимость нервных клеток от поступления нутриентов (в первую очередь глюкозы) и тривиальную информацию о прямой зависимости нейрона от уровня обеспечения процессов аэробного фосфорилирования, так и некоторых других моментов, которые нам предстоит рассмотреть далее.

С 70–80-х гг. прошлого века накопившиеся экспериментальные данные поставили под сомнение достаточность классических представлений нейронной теории Кахала в объяснении механизмов функционирования мозга. Концепция о нейроне как о поляризованной единице, связанной с аналогичными единицами с помощью тесно пространственно расположенных синапсов, потребовала существенного пересмотра. Так, была показана структурная и функциональная гетероморфность самих нейронов. Несколько позднее были выявлены факты о возможности пространственно удаленных межнейронных взаимодействий, которые, являясь более медленными по скорости связей и, в основном, менее интенсивными, тем не менее способны носить весьма устойчивый характер. Данные взаимодействия, как показано в исследованиях конца XX – начала XXI в., могут опосредоваться как через межклеточное пространство, так и с помощью клеток-посредников. Наиболее интенсивно в качестве такого посредника в ЦНС позвоночных изучаются астроциты. Однако вероятная немаловажная роль иных клеточных структур мозга и нервной периферии является областью дальнейшего перспективного поиска.

Огромный по объему, а иногда и трудный для осмысления набор фактов по изучению нервной системы в настоящее время сопровождается отсутствием логичной современной концепции. И сегодня при обучении в биологических и медицинских вузах используются в основном классические представления нейронной теории, которые, как уже указывалось, не могут в полном объеме объяснить многие вопросы развития и функционирования мозга, многие механизмы патологии. Это обстоятельство нередко вызывает проблемы в поиске новых подходов в лечении и профилактике многих видов нервной и психической патологии.

6

Задача создания такой концепции затруднена также и невероятной сложностью собственно самой нервной системы, особенно у высших позвоночных. Моделирование же ее работы с помощью исследования относительно примитивных нервных систем беспозвоночных в свете современных представлений кажется все менее корректным. В первую очередь это связано с тем, что аналогичные по своей сути ответы нервных структур беспозвоночных и позвоночных могут быть основаны на различных механизмах, особенно внесинаптических межнейронных и ненейронных взаимодействий. С другой стороны, нейронные сети и внешняя организация самих нейронов позвоночных и беспозвоночных удивительно близки, что нередко служит основой для рассмотрения нейрофизиологии беспозвоночных как вполне сопоставимой модели функционирования мозга высших млекопитающих. Необходимость моделирования нервных процессов связана также с тем, что человек и высшие позвоночные являются весьма неудачной моделью для исследования некоторых процессов. В частности, малый диаметр нервных волокон высших животных предполагает преимущества в изучении нервного проведения на дождевом черве и кальмаре. Исследование прижизненных реакций нейронов обычно проводят на нервных клетках внутриорганных нервных узлов лягушек. Но могут ли эти модели объяснить проявления высшей нервной деятельности млекопитающих, и в первую очередь – человека?

Как часть организма, являясь одномоментно важнейшей интегрирующей и регулирующей составляющей, нервная система отличается не только крайне сложной и дифференцированной клеточной организацией. Она, как и организм в целом, организуется на нескольких уровнях, от атомарно-молекулярного до системного, при этом особенности ее функционирования могут существенно изменяться в различных областях мозга, что также затрудняет создание ясного и достаточно полного представления о ее деятельности и объяснение механизмов поведения. Современные направления научных исследований мозга направлены на детализацию изучения его функциональной активности, межнейронных взаимодействий на микроскопическом, субмикроскопическом и биохимическом уровнях. Такая всеобъемлющая детализация нередко ведет к другой проблеме. Детализируя рассматриваемые вопросы, мы просто теряемся в огромном потоке информации, в результате чего до сих пор не можем описать работу мозга в целом. Так же как изучение лампы и отдельного полупроводника не в состоянии ответить на вопрос, как работает целый прибор. С другой стороны, даже рассматривая реакции мозга на молекулярном уровне, в большинстве нейробиологических исследований учитываются усредненные изменения целых областей, тогда как более важными могут

7

быть не только и не сколько эти усредненные ответы, а зачастую разнонаправленные изменения, перераспределение возбуждения и функциональной активности отдельных групп нейронов даже в пределах одного нервного центра. То есть во главу угла было бы важнее ставить тезис о гетероморфности нейронных популяций и их окружения.

Современная молекулярная нейробиология (а надо признать, что такая наука существует примерно 15–20 последних лет) занимается концепцией влияния того или иного вещества на созревание и функцию мозговых структур. Речь идет в первую очередь о том, как повысить эффективность деятельности мозга, о философском камне, способном сделать мозг любого человека гениальным. По сути, поиск такого Грааля перешел с уровня клеток и их комплексов к воздействию отдельных молекулярных веществ, пусть даже и эффективно изменяющих деятельность мозга.

Известен ряд работ, сравнивающих мозг нестандартных людей (гениев, серийных убийц и т. д.). Открытия в этой области показывают, что различия не слишком существенны и проявляются в особенностях глиального окружения и, может быть, трофического обеспечения, нередко в мозге наблюдаются очаговые повреждения, в том числе опухоли, инсульты и т. д. Еще Ломбразо предположил, что мозг гениев функционирует на некой границе нормы, обладая высокой восприимчивостью к внешним влияниям, и, несмотря на спорность многих его положений, данная точка зрения им показана вполне убедительно. Таким образом, гениальность сопряжена с высокой динамичностью, а возможно, и неустойчивостью деятельности мозга. Эта неустойчивость, однако, может быть связана с деятельностьюне только самих нейронов, но и их окружения.

Список литературы

1.Уолтер, Г. Живой мозг / Г. Уолтер. – М., 1966.

2.Шеррингтон, Ч. Интегративная деятельность нервной системы / Ч. Шеррингтон. – Л., 1969.

3.Golgi, C. Di una una nuova reazione apparentemente nera delle cellule nervose cerebrali ottenuta col bicloruro di mercurio / C. Golgi // Archivio per Scienze Mediche. – № 1–7. – 1879.

4.Loewenstein, W.R. Junctional intercellular comunication: The cell-to-cell membrane channel / W.R. Loewenstein // Physiological Reviews. – 1981. – V. 61. – Р. 829–931.

8

1 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Рассматривая все многообразие научных и клинических методов исследования, остановимся на некоторых из них, учитывая то, что ни один из них не является идеальным и имеет свои преимущества и недостатки. В течение ХХ в. ведущее место при исследовании мозга отводилось нейрофизиологическим методам. Классические методы нейрофизиологических исследований предполагают раздражение того или иного участка нервной системы или его удаление (экстирпацию). Но еще П.К. Анохин (1968) указывал на некоторое ограничение при интерпретации результатов, полученных этими методами. Он отмечал, что если мы при раздражении какого-либо участка, например коры больших полушарий, получаем тот или иной моторный эффект на периферии, то это никак не может быть истолковано в том смысле, что мы нашли двигательный центр, координирующий сложные моторные акты. Зона пирамидных клеток является для нервного импульса выходом на двигательные сегменты, т. е. до некоторой степени, выражаясь языком Ч. Шеррингтона, «чеком на предъявителя», хотя это выражение он употребляет в отношении спинного мозга. Поэтому возбуждение какой-либо группы клеток может быть проявлением только результатов сложного комплексирования нервных процессов, протекающих до них, но никак не показателем конструирования целого двигательного акта. Несомненно, непосредственная связь двигательной зоны с эффекторным двигательным аппаратом очень помогает, например, невропатологу точно диагностировать очаг разрушения, но все же это есть только разрушение конечного звена в сложной картине циркуляции нервного импульса и ничего больше. Именно поэтому диагностика органических нарушений центральной нервной системы носит ограниченный характер и лимитируется конечным двигательным звеном (движение конечностей, глазодвигательная функция, глотание и т. д.). Точно так же метод экстирпации дает не больше, чем метод раздражения. Если, предположим, экстирпация зрительной области у животного ведет к полной или частичной потере зрения, то это совершенно не значит, что мы исключили «зрительный центр». Bethe правильно замечает, что, несмотря на то, что при перерезке зрительного нерва устраняется целиком зрительная функция, никому в голову не придет утверждать, что в данном нерве помещается «зрительный центр», а между тем по отношению к зрительной области коры такое заключение делают большинство физиологов.

В ходе клинико-экспериментальных исследований в качестве прижизненной диагностики зоны и степени повреждения стали широко использовать методы рентгенологического, ультразвукового, мангнит-

9

но-резонансного исследования мозга (Холодов Ю.А., Шишло М.А., 1979). В частности, все шире в настоящее время используются методы томографии, которые позволяют увидеть прижизненное анатомическое строение головного мозга, а при дополнительных методиках – судить и о его кровоснабжении. Компьютерная и магнитно-резонансная томография (МРТ) мозга позволяет выяснить локальные участки повреждения и особенности его анатомической организации

(Malmivuo J., Plonsey R., 1995). В частности, эту функцию выполняет метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Исследование основано на введении в мозговой кровоток позитрон-излучающего короткоживущего изотопа. Данные о распределении радиоактивности в мозге обрабатываются в виде трехмерной реконструкции мозга, и в зависимости от распределения кровотока можно судить об интенсивности обмена веществ и функциональной активности областей мозга. Методы, при всей информативности, тем не менее пока не добавили ничего принципиально нового к указанным выше методикам экстирпации или раздражения мозга.

Враспоряжении физиологов имеются также различные электрофизиологические методы исследования, в первую очередь электроэнцефалография. Современные методы клинической и экспериментальной электроэнцефалографии сделали значительный шаг вперед благодаря применению компьютерного анализа. Принципиальное значение этого метода, вероятно, заключается в возможности выявления участков повреждений мозга (как и вышеуказанные методы), но при этом он позволяет выяснить и степень функциональной активности мозга, его медленноволновую активность, указывая на особенность модуляции нейронального ответа (Матюшкин Д.П., 1984). Для регистрации биоэлектрической активности отдельных нейронов и их отростков применяют специальные методики, связанные с введением металлических и стеклянных микроэлектродов. Характер регистрируемой биоэлектрической активности определяется диаметром кончика микроэлектрода,

иприменение наиболее тонких из них позволяет регистрировать мембранный потенциал отдельных клеток. Этот метод принципиально отличается от ЭЭГ тем, что позволяет выяснить возбуждение или торможение в отдельной клетке, а не степень активности в целой группе нейронов, уточнить специализацию той или иной нервной клетки, принципиальные особенности проведения возбуждения (Первис Р., 1983).

Впоследние годы для изучения реакций отдельных нейронов у млекопитающих, взаимодействий между отдельными тканевыми составляющими мозга все шире применяют прижизненные срезы головного мозга. Изучают ткани мозга зародышей, новорожденных, а ино-

10