Васильев Ю.Г гомеостаз и пластичность мозга

гда и зрелых животных. Широко применяют культуры одной или нескольких популяций клеток нервной ткани. Переживающие ткани и клеточные культуры мозга выращивают на специальных средах, изменяя соотношение тех или иных веществ, используя разнообразные тканевые гормоны. Их исследование позволяет изучить механизмы активности отдельных нервных клеток и их отростков, значение их глиального и сосудистого окружения.

Еще одно направление исследования головного мозга – это психологические методы. У животных они рассматриваются в пределах физиологической психологии. У человека они дополняются нейропсихологическими и клиническими психиатрическими и неврологическими методами. В частности, нейропсихологическая диагностика сочетает приемы психологического обследования с физиологическим исследованием у людей с поврежденным мозгом (Лурия А.Р., 1973).

Морфологические исследования нервной системы сопряжены с рядом трудностей. В силу плотной упаковки нейронов и их отростков с нейроглией и сосудами, сложнейших их взаимопереплетений, исследования всех составляющих нейронной ткани не позволяют понять, как эти структуры взимоотносятся друг к другу. Морфолог фактически разрывает эти связи, в последующем хоть как-то пытаясь сопоставить эти структуры между собой.

Электронная микроскопия также имеет весьма существенные ограничения. Тонкие срезы (25–50 нм) при очень незначительной площади исследования фактически сильно осложняют трактовку изменений нервной системы, учитывая крайне сложный характер реакций нейронов и их окружения даже в пределах одного нервного центра. Фактически неразгаданным в таких исследованиях остается вопрос, какие нейроны связывает тот или иной синапс, как соотносятся в пространстве отростки астроцитов и нейронов и т. д.

Отличные возможности для исследования структурной организации мозга были получены с открытием метода К. Гольджи. Используя оригинальные методы и их модификации, авторы описали подробную структурную организацию нервных центров. Данные этих классических нейроморфологических исследований были существенно дополнены несколькими новыми специфическими методиками. Так, использование обратного аксонального транспорта с применением таких маркеров, как пероксидаза хрена, люциферовый желтый и некоторых других, позволило точно установить связи нервных центров и установить более тонкую организацию нейронов. Типичным примером может служить и радиоавтография. Используя радиоактивную метку, прижизненно наблюдают ее перемещение в структуре нейрона. Метка

11

может быть связана с разнообразными веществами (глюкоза, аминокислоты, нуклеотиды, олигопептиды и т. д.).

С конца ХХ в. широкое применение специфических методов выявления нейронов с помощью моноклональных антител позволило выяснить строго определенные группы нейронов по образуемому ими медиатору. Эти способы предоставляют исследователю существенные преимущества в определении динамики реакций отдельных популяций нейронов, но не позволяют судить о текущих краткосрочных ответах, так как фиксируют лишь состояние нервной ткани в момент гибели клетки. Сама эта гибель сопровождается значимыми изменениями в тканевой организации, нередко предоставляя лишь общее представление о прижизненной организации мозга.

В последние десятилетия все шире применяются те или иные методы биохимических и молекулярных биологических исследований (Potter N.T., 2003). Обнаруженный массив данных создает впечатление, что с помощью методов и открытий в этих науках можно объяснить все в функционировании нервной системы. Однако, несмотря на множество полученных разнообразных факторов, не представляется возможным сформулировать с точки зрения лишь молекулярнобиохимических процессов системные механизмы не только высшей нервной деятельности человека, но даже и системные механизмы зрительного, слухового анализа, памяти и т. д.

Методы математического и компьютерного моделирования нейронных систем и системных механизмов анализа информации все шире применяются для моделирования межнейронных коммуникаций и внедряются в практике современных аналоговых и цифровых техноло-

гий (Benke T.A. et al., 2001; Le Novere et al., 2006). Эти же методы по-

зволяют рассмотреть и некоторые другие стороны функции мозга, в частности, при исследовании механизмов гемодинамики.

Одним из положительных последствий применения многочисленных методов явилось понимание того, что в исследованиях ни один из методов не может объяснить всей системы возможных ответов мозга. Это привело к отказу от использования только какого-то одного метода исследований или направления научного знания. Только интеграция данных самых разнообразных исследований, рассматривающая мозг от уровня целостной системы до данных молекулярно-биохимических и биофизических исследований, возможно, разрешит хотя бы с определенной степенью приближения проблему понимания его функции.

Список литературы

1.Анохин, П.К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса / П.К. Анохин. – М. : Медицина, 1968.

12

2.Лурия, А.Р. Основы нейропсихологии / А.Р. Лурия. – М. : МГУ, 1973.

3.Матюшкин, Д.П. Основы электрофизиологии / Д.П. Матюшкин. – Л. : Издво Ленингр. ун-та, 1984.

4.Первис, Р. Микроэлектродные методы внутриклеточной регистрации и ионофореза / Р. Первис. – М. : Мир, 1983.

5.Холодов, Ю.А. Электромагнитные поля в физиологии / Ю.А. Холодов, М. А. Шишло. – М. : Наука, 1979.

6.Benke, T.A. Mathematical modelling of non-stationary fluctuation analysis for studying channel properties of synaptic AMPA receptors / T.A. Benke [et al.] // The Journal of Physiology. – 537:407-420, 2001.

7.Le Novere. BioModels database: A free, centralized database of curated, published, quantitative kinetic models of biochemical and cellular systems / Le Novere [et al.] // Nucleic Acids Research. – № 34. – P. 689–691.

8.Malmivuo, J. Bioelectromagnetism. Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields / J. Malmivuo, R. Plonsey. – Oxford University Press, 1995.

9.Potter, N.T. Neurogenetics. Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology / N.T. Potter. – Humana Press, 2003.

2 ЭЛЕМЕНТЫ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МОЗГА

Функциональная организация мозга обычно описывается на нескольких уровнях. Приводимые элементы конструкции носят искусственный характер и лишь позволяют представить направления, которые исследуются наиболее активно. В ходе рассмотрения морфофункциональной организации центральной нервной системы обычно оперируют следующими уровнями организации: минимальной струк- турно-функциональной единицей рассматривают нейрон, группы нервных клеток, в свою очередь, кооперируются в нейронные ансамбли, совокупность которых образует нервный центр.

Нейрон и его специализированные структуры, обеспечивающие восприятие, анализ, передачу и сохранение информации. Согласно уже аксиоматическим представлениям, нейроны являются ведущими элементами нервной ткани, единственными клетками, полностью удовлетворяющими представлениям о способности воспринимать внешние и внутренние раздражители, анализировать их, передавать информацию на большие расстояния с высокой скоростью (формировать потенциал действия). На этом уровне нейрон рассматривается как отдельная единица. Функция нервной системы определяется морфологической и функциональной специализацией нейронов. Важную роль играют межнейронные взаимодействия, осуществляемые с помощью специальных контактов – синапсов, и способность нервных клеток форми-

13

ровать различные нейронные ансамбли. Нейрон, его строение и функция вычленяются из нервной системы, выясняется его общее строение или особенности структуры синапсов, органелл, способность к поддержанию мембранного потенциала, содержание медиаторов, связи с другими клетками и т. д. Исследования такого рода обширны и охватывают значительный исторический промежуток от конца XIX в. по настоящее время. Молекулярные, макромолекулярные, субмикроскопические и микроскопические, физиологические, патохимические и патофизиологические изменения в группах или отдельных нейронах являются маркерами изменений на данном уровне. К сожалению, часть авторов данными таких исследований и ограничивается.

Структурно-функциональные единицы нервных центров (мо-

дули, барелоиды, пластинки). Нейроны формируют группы тесно взаимосвязанных между собой клеток. Группы этих клеток формируют повторяющиеся структуры. В коре больших полушарий и некоторых центрах такие единицы осуществляют обработку информации, поступающей от одного афферентного волокна. Такие единицы могут формировать еще более сложные системы – нервные центры.

Следующий уровень организации нервной системы – крупные ней-

ронные ансамбли – специализированные нервные центры и их коммуникации. Это ядра, центры экранного типа, периферические узлы, нервные проводники (пути в ЦНС и нервы в периферической нервной системе) и т. д. При этом они могут быть четко анатомически локализованы, но это правило не является абсолютным, и некоторые нервные цетры составляют функционально взаимосвязанную группу нервных клеток, объединенных по принципу функциональной организации (ретикулярная формация, сосудодвигательный, дыхательный центры и т. д.). Выпадение какого-либо центра сопровождается полной или частичной утратой той или иной функции нервной системы. Изменения в таких центрах, их локализация и диагностика – предмет интересов в первую очередь невропатологов и нейропсихологов. Имеются обширнейшие исследования в нейроанатомии и нейрофизиологии, посвященные именно этому вопросу. Специфичны и методы, применяемые для исследований этого уровня организации нервной системы. Классическим является метод экспериментального разрушения изучаемого нервного центра или его локального раздражения с последующим выяснением изменений функции. В 70–90-е гг. ХХ в. широко внедрялось введение трассеров, транспортирующихся с обратным аксотоком к телу нейрона. Это позволяло точно выяснить анатомические связи нервных центров, распределение аксонов рассматриваемых нейронов. В клинических исследованиях весьма полезны сопоставления данных инструментальных исследований (компьютерная томография,

14

ультразвуковая диагностика, электроэнцефалография) с клиническими наблюдениями, данными нейропсихологического тестирования.

При описании функций мозга на этом уровне можно привести довольно банальные представления. Наиболее крупными по размерам и сложными по структурной организации у млекопитающих являются большие полушария. Они обеспечивают высшие психические функции

иинтегрируют деятельность остальных отделов мозга. Таламус промежуточного мозга распределяет сенсорную информацию, направляющуюся к коре больших полушарий. Не менее важен и гипоталамус, который осуществляет взаимосвязь вегетативных функций организма

иповеденческой активности, интегрирует деятельность внутренних органов. Благодаря гипоталамусу происходит регуляция роста и развитие организма.

Средний, задний и продолговатый отделы ствола головного мозга образованы у млекопитающих ядерными центрами и проводниковым аппаратом, которые осуществляют непосредственный контроль над сердечно-сосудистой, дыхательной системами, интегрируют двигательную активность мышечного аппарата мимической мускулатуры, воспринимают сенсорные сигналы от периферического аппарата анализаторов и другие функции. Ретикулярная (сетчатая) формация ствола определяет суточные (циркадные) ритмы, поддерживая тонус нервной системы. Нарушение ее целостности приводит к грубым нарушениям сознания. Мозжечок или малый мозг, как часть заднего мозга, состоит из полушарий и соединяющего их червя. Он осуществляет координацию движений скелетных мышц.

Основная функция спинного мозга заключается в непосредственном контроле местных вегетативных реакций в виде контроля кровотока внутренних органов, мочеиспускания, дефекации, кожных рефлексов и многих других. Мотонейроны спинного мозга обеспечивают сокращение скелетных мышц туловища и конечностей и, участвуя в формировании рефлекторных дуг спинальных рефлексов, формируют многие безусловные рефлексы.

Вто же время данные нейрофизиологических исследований многих центров мозга не полностью совпадают с данными анатомических и микроанатомических исследований. Работы морфологов указывают на четкую специализацию различных участков головного мозга, в том числе и коры больших полушарий, в то время как нейрофизиологи полагают, что эта специализация не играет определяющей роли в динамике функции ЦНС в целом. Наоборот, там, где речь идет о взаимозамене отдельных частей зрительной зоны в сравнительно примитивной функции, они все оказываются равноценными (эквипотенциальными). Как полагал П.К. Анохин (1935), вне зависимости от того, будет ли

15

найдена морфологическая основа для данного утверждения, мы можем предполагать, что физиологически оба эти процесса в каждом отдельном проявлении нервной функции настолько тесно увязаны друг с другом, что можно говорить о их полном единстве. Вот почему разрушение определенных участков коры, как будто не заинтересованных в выработке данного навыка, тем не менее отражается на тонкости поведения животного, и даже в не меньшей степени, чем разрушение специальной зоны. Таким образом, говоря об афферентных центрах коры, мы должны помнить, что на деле имеется предпочтительное распространение импульса в первых инстанциях его циркуляции, связанное с ближайшим отношением с воспринимающим органом, но уже в этих первых инстанциях он делается и генерализованным благодаря универсальным связям с корой через такие промежуточные образования, как таламус. Признание «рассеянных» элементов приводит к такому же заключению, ибо если каждый из очагов, имеющих специальную функцию, имеет свои элементы в остальных частях коры, то, принимая во внимание все специальные образования, мы должны будем, очевидно, принять, что в любой функции кора ведет себя как единое целое. Если в продолжение идей П.К. Анохина предполагать неполную специфичность высших центров, регулирующих поведение животных и человека, то необходимо рассмотреть и более примитивные структуры стволовых отделов. Как было показано П.К. Анохиным, при анализе своих и проведенных в то время других исследований, даже спинномозговые центры не являются абсолютно специфичными образованиями и могут в условиях эксперимента частично взаимозаменять друг друга. Таким образом, изменчивыми и способными к динамическим перестройкам в ходе постнатального онтогенеза являются не только корковые отделы мозга, но и его ядерные центры.

Уровень медиаторных систем мозга. В настоящее время практи-

чески общепризнанным является тот факт, что причиной многих психоневрологических нарушений является дисфункция и нарушение развития медиаторных систем мозга. В них включают нейроны различных нервных центров, объединенных характерным для них медиатором (Ашмарин И.П., Стукалова П.В., 1996). Считается, что каждый зрелый нейрон содержит лишь один (во всяком случае, ведущий) медиатор. Его метаболизм обеспечивается рядом ферментных систем и при нарушении в данной системе изменяется активность многих нервных клеток с таким медиатором. Медиатор, как сигнальная молекула в нервной системе, обеспечивает быструю, тонко локализуемую передачу от одной нервной клетки к другой в химических синапсах (Экклс Дж., 1989). Выделяют дофаминергическую, ГАМК-ергическую, глицинергическую, серотонинергическую и т. д. системы. Изменения в

16

каждой из них могут проявляться в тяжелых неврологических и психопатологических нарушениях. В частности, к патологии этой системы можно отнести болезнь Паркинсона, хорею Гентингтона, некоторые формы маниакально-депрессивных психозов и шизофрений. Данные о медиаторных системах мозга подробно представлены в обширных обзорах отечественной и зарубежной литературы. Уже давно показано, что введение медиаторов или их аналогов в некоторых случаях способно уменьшить степень проявлений повреждения.

Мозг как целостная система взаимодействующих между собой нейронов. Механизм работы мозга на этом уровне и по сей день является недостаточно изученным. Этот вопрос содержит больше белых пятен, чем ответов, особенно по отношению к высшим позвоночным с их чрезвычайно сложной системой организации. Твердо можно указать лишь на одно, что этот уровень существует, и при разрушении и дисфункции его части или диффузном нарушении во всей системе происходит снижение функциональных возможностей мозга. В частности, у человека это проявляется в снижении интеллекта, изменениях

вмнестической, эмоционально-волевой и других сферах. Особую роль

вподдержании высшей нервной деятельности мозга и других млекопитающих приписывают коре больших полушарий. Благодаря ей, при взаимодействии с другими отделами ЦНС, особенно с подкорковыми центрами, создается возможность к формированию индивидуального поведения во взаимосвязи с условиями внешней среды. И.П. Павлов развил эту мысль в виде «учения о физиологии условных рефлексов». Ему принадлежит заслуга в создании экспериментального метода исследования поведения животного и формирования им условных рефлексов. И.П. Павлов (1951) сделал экспериментальный метод инструментом научного исследования функций головного мозга. В наше время головной мозг и его деятельность чаще всего сравнивают с мощным компьютером. Однако любая аналогия весьма условна и принцип деятельности нервной системы весьма отличен от принципов действия современного компьютера. Исследования И.П. Павлова рассматривают деятельность мозга, не фиксируя внимание на структурных основах его деятельности.

При рассмотрении психической деятельности выделяют несколько основных составляющих. Это активирующая функция мозга, контролирующая ритм его работы. Мотивационная составляющая тесно связана с эмоциями и направляет многие аспекты поведения. Весьма важна познавательная или когнитивная деятельность мозга, что характерно в первую очередь для человека (Батуев А.С., 1991).

Система взаимосвязанных нейронных ансамблей центральной и периферической нервной системы. Это также взаимовлияние

17

нервных центров соматической и вегетативной нервной системы. Данный уровень подробно описан и рассматривается специалистами, работающими как в нейробиологии, так и в смежных отраслях знаний

(Котляр Б.И., 1977; Бианки В.М., 1985).

Взаимовлияние нейронов на этом уровне проявляется в изменениях эмоциональных, двигательных вегетативных реакций, продуктивности мозговой деятельности.

Перечисленные выше системы соответствуют классическим представлениям о нервной ткани и нейроне как основополагающем струк- турно-функциональном элементе. Но ограничиваются ли все стороны функциональной активности мозга лишь указанными уровнями, и в первую очередь нейронами? С. Рамон-и-Кахал (1890) предполагал важную роль глиоцитов в формировании и функционировании нервной системы. Данное положение может быть проиллюстрировано и другим фактом. При сравнительном анализе функциональных реакций тканевых элементов центральной и периферической системы млекопитающих приходится сталкиваться с рядом фактов, указывающих на различия между ними даже на уровне отдельных нейронов и нервных волокон, не говоря уже об уровне нейронных ансамблей. Еще E.C. Boring (1932) указывал, что имеются существенные различия между представлениями физиологов и психологов о функции данных отделов. Физиолог полагает, что мозг, состоящий из суммы нейронов, способен к возбуждению, которое является суммой возбуждений многих нейронов, и что центральные нейроны подчиняются тем же законам и возбуждаются при тех же условиях, что и периферические нейроны. Именно данные нейроны к тому времени, как и сегодня, были более изучены, и главные положения экспериментальных исследований, предложенные на этой основе, служат фундаментом для описания функций нейронов. Однако, при рассмотрении организации центрального возбуждения психолог отмечает то существенное отличие, которое у центральных нейронов определяется рамками получаемого индивидом опыта. Такие существенные отличия трудно объяснить лишь на основе синаптической межнейронной передачи и изучения нервной системы как комплекса нейронных ансамблей, так как сами нейроны и механизмы их функционирования, как уже указывалось, не обнаруживают при изучении физиологами существенных особенностей. Таким образом, при описании данных различий существенно возрастает роль глиального окружения и собственно сложности нейронных ансамблей. Для подтверждения базовых механизмов формирования поведенческих реакций весьма важным был бы эволюционный анализ не только нейронных систем, что на сегодня весьма широко освещено в научной литературе, но и их глиального окружения и специализации последне-

18

го у высших млекопитающих. Полезны в этом отношении были бы сравнительные исследования физиологии и морфологии глиального окружения с сопоставлением нейронной организации хордовых с животными других таксономических групп, особенно близких по сложности нейронных систем. К сожалению, в доступной литературе подобных данных не приводится.

Различия между отдельными центральными и периферическими нейронами наиболее ярко проявляются в реакциях нервных клеток на повреждение и могут быть объяснены как некоторыми отличиями в происхождении и развитии, так и в их зрелом окружении. Известно, что при повреждении могут проявляться и некоторые базовые механизмы функционирования исследуемых систем, а они существенно отличны для центральных и периферических нейронов, особенно в ходе регенерации и контроля процессов апоптоза.

После длительного периода всеобщего увлечения исследованием нейронов как ведущих популяций клеток нервной ткани, с 80-х гг. ХХ в. нарастает интерес к глиоцитам. Именно при исследовании глиальных клеток, как уже указывалось, выявляется существенное отличие между нервной периферией и ЦНС. Число публикаций, посвященных роли нейроглии и ее взаимодействию с нейронами, нарастает в геометрической прогрессии, особенно в зарубежной литературе. Не потеряло своей актуальности изучение роли гематоэнцефалического барьера, роли эндотелиоцитов, роли гуморальных факторов плазмы крови и ликвора, соединительно-тканных элементов и т. д. Данные работы определенно выясняют функцию нейронного окружения, отдельно в центральной и периферической нервной системе. В целом, эти сравнительно новые сферы исследований можно условно подразделить на дополнительные уровни, во многом определяющие функцию мозга и предполагающие роль взаимодействия нейронов, глиального и сосудистого окружения.

Уровень внесинаптической внутримозговой модуляции активности нейронов (объемной передачи информации). Объемная пере-

дача, как показано в современных источниках, может осуществляться через «утечку» медиаторов и модуляторов из синаптических контактов, и влияние этих химических факторов подобно тканевым гормонам. Важнейшую роль в модуляции возбуждения нервных клеток играют астроциты, связанные своими отростками со многими синапсами, телами нервных клеток, их отростками, соседними глиоцитами. Вопросу объемной передачи информации в мозге посвящено множество весьма информативных обзорных работ последнего десятилетия. Однако, несмотря на многочисленность публикаций, и по сей день в этой области достаточно много белых пятен. В первую очередь, это

19

вопросы однородности или разнородности различных популяций глиоцитов, их роли в процессах краткосрочной и долговременной памяти, особенностей влияния тех или иных химических веществ на разные нервные центры и динамики этих влияний в различные сроки онтогенеза.

Не менее сложен и интересен вопрос о модулирующей роли со-

держимого сосудов, трофического обеспечения, гуморального влияния эндотелиоцитов на жизнедеятельность мозга. В этот об-

ширный комплекс влияний можно включить и трофическую роль нейроглии. Многие стороны обеспечения метаболических процессов и их влияния на мозговую деятельность подробно рассмотрены, и имеются способы их объективной прижизненной функциональной оценки (реовазография, ангиография, плетизмография, МРТ). Однако имеется и ряд открытых вопросов, особенно на микроскопическом и молекулярном уровнях (Соколов Е.Н., Шмелев Л.А., 1983; Эделмен Дж., Маунт-

касл В., 1981).

Весьма сложно оценить содержание нутриентов, минеральных веществ и т. д. в различных локальных участках мозга, и тем более нейрона, с учетом сложного характера диффузии и транспорта в мозге, весьма разнородного нейропиля, разнообразия метаболической активности нервной ткани. В то же время роль сосудов и трофического обеспечения в целом может весьма существенно сказываться на функции мозга, как в норме, так, тем более, при патологических процессах.

Еще более сложной становится оценка функции мозга при анали-

зе его как целостной органной системы с учетом роли общемозговых влияний нервных, глиальных, сосудистых факторов. В мозге происходят важные для организации поведения и психологических процессов взаимодействия, которые нельзя рассматривать лишь как постоянные ассоциативные связи между нейронами, и в первую очередь обусловленные механизмами синаптической передачи между отдельными повторяющимися единицами – нервными клетками. Наряду с ними несомненную роль играют и внесинаптические, нередко гуморальные, межнейронные взаимодействия. При этом необходимо учитывать и взаимодействие мозга и организма в целом, а именно, состояние гормональной регуляции, иммунитета и т. д. Данные влияния было бы неправильно рассматривать лишь в направлении превалирования нервной системы, необходимо также включать и возможность обратных механизмов. В последние годы ряд авторов пытается объединить нервную, эндокринную и иммунную системы как единую регулирующую систему организма. К сожалению, пока в этом ряду обычно не учитывается еще одна – сердечно-сосудистая система, которой, несомненно, также принадлежит интегративная роль.

20