2021-07-07
342
ГЕНЕРАЦІЯ ТА ПРОВЕДЕННЯ НЕРВОВОГО ІМПУЛЬСУ
Головною функціональною ознакою нейрона є генерація і проведення нервового імпульсу. Якщо ввести в цитоплазму нервової клітини один мік-роелектрод, а другий мікроелектрод розташувати на поверхні нейрона, то міл-лівольтметр може зафіксувати різницю потенціалів біля 70 мВ, причому поверхня мембрани нейрона буде заряжена електронегативно.
В числі перших науковців хто “зрозумів” природу нервового імпульсу, розробив спеціальний підсилювач для вольтметра і зареєстрував проходження імпульсу по нерву, був відомий англійський фізіолог Е. Еdrian, який в 1932 році спільно з С. Шеррінгтом отримав Нобелівську премію.
Електричний заряд на мембрані зумовлений різною концентрацію ос-новних електролітів - іонів натрію, калію, водню всередині клітини та в ін-терстиції. Явище поляризації мембрани нейрона досягається напівпро-никливими властивостями мембрани, станом іонних каналів, роботою іон-них насосів та їх енергетичним забезпеченням. Тривалий час, до класичних робіт Ходжкіна А, Хакслі А та Екклса Д, які в 1963 році отримали Нобелівську премію, молекулярна природа нервового імпульсу і механізми його прове-дення були невідомі, хоча ще в 1947 році Кац Б. показав роль електролітів в генезі нервового імпульсу. Б. Кац теж стане лауреатом Нобелівської премії, але аж у 1970 році.
Прилади для реєстрації біопотенціалів нервових клітин були значно вдос-коналені Дж.Ерлангером та Г.Гасером, які за свої нейро-електро-фізіологічні дослідження в 1944 р. отримали Нобелівську премію.
В дослідах на гігантських аксонах кальмара було зареєстровано проход-ження хвилі деполяризації, яке передувало скороченню м’язів, деполяризація переводила аксон в стан рефрактерності і лише після реполяризації аксон від-новлював властивість проводити нервовий імпульс. Видалення із аксона елек-тролітів, блокада синтезу АТФ перешкоджали проведенню нервового імпульса.
Співставлення структури мієлінового та безмієлінового нервового во-локна і механіки проведення нервового імпульсу засвідчило, що в мієліновому нервовому волокні деполяризація мембрани можлива лише у ділянці перехватів Раньв’є і тому проведення імпульсу (хвиля деполяризації* має стри-пкоподібний (сальта-торний характер* – від перехвату - до перехвату. Таке проведення реалізується швидше, ніж в безмієліновому нервовому волокні, в якому процес деполяризації та реполяризації підлягає кожна частина оболонки відростка.
Якщо подумки уявити одну окремо взяту нервову клітину з її всіма структурними компонентами, то проведення нервового імпульсу, як правило здійснюється по дендриту до перикаріона і від нього по аксону до іншої біо-логічної структури, хоча хвиля деполяризації може рухатись в обох напрямках по аксону: як від, так і до перикаріона, а по дендриту як до, так і від перика-ріона. Чому тим не менше 90% випадків ми спостерігаємо однонаправлене проведення імпульсів. Для цього є чіткі морфологічні передумови.
В чутливих нейронах дендрити мають нервові закінчення, поріг збудли-вості яких найнижчий із всіх структурних відділів даного нейрона. Які це нервові закінчення?
По-перше, це вільні нервові закінчення – тобто розгалуження дендриту не покриті нейроглією. Безумовно така структура може бути розміщена там, де обмежений її контакт із структурними елементами імунної системи. Адже ми чітко прослідкували явище, коли в ембріогенезі формується імунологічна толерантність, і чому цієї толерантності немає по відношенню до структур нейронів. Тому природнім є те, що вільні нервові закінчення можна виявити в епідермісі, рогівці, де немає кровоносних та лімфатичних судин, а одних лише клітин Лангерганса недостатньо для запуску імунного процесу. Ті ж вільні нервові закінчення, що розміщені в м’язах та сполучній тканині не експре-сують на цитолемі антигени першого класу МНС і тому імунна система до них ареактивна.
По-друге, розгалуження дендриту залишаються покриті нейроглією (не вільні нервові закінчення*, частина яких ще може мати сполучно-тканинну капсулу (тільця Мейснера, Фатер-Пачіні, Руффіні, колби Краузе, м’язеві веретена*. В цьому випадку структурні компоненти відростка нейрона добре захищені від всяких можливих пошкоджень, а сполучно-тканинна капсула може виконувати функцію ще й підсилювача діючих подразнень.
Тільця Руффіні – крупні рецептори веретеноподібної форми. Довжиною 2 мм і товщиною 0,2 мм, розміщуються в сполучній тканині шкіри, особливо в області суглобів. Зовні тільце покрито сполучно-тканинною капсулою, а в середині розміщена густа сітка нервових терміналей оточених рідиною. Нер-вові закінчення містять багато мітохондрій, що вказує на достатнє метаболічне забезпечення реполяризації. Основна функція – механорецепція.
Тільця Фатер-Пачіні – інкапсульовані нервові закінчення розмірами 2,0 х 0,5 мм. Навколо нервових терміналей сформована колбоподібна порожнина, за-повнена рідиною, довкола капсула із колагенових волокон та фібробластів. Тільця локалізовані в сполучній тканині шкіри та у внутрішніх органах. Фун-кція – тактильна чутливість.
Тільця Мейснера – інкапсульовані рецептори, що локалізуються в папіляр-ному шарі дерми, розміри 0,05-0,1 мм. Нервові терміналі занурені в рідину, яка міститься в колбоподібній капсулі. Функція тактильна чутливість.
Колби Краузе - інкапсульовані нервові закінчення, які зустрічаються в структурах ока, органів ротової порожнини та статевих органах. Сполучно- тканинна капсула тонка. Функція – тактильна чутливість.
У скелетній м’язевій тканині між поперечно-посмугованими волокнами знаходяться інкапсульовані нервові закінчення так звані м’язеві веретена. Нервове закінчення інкапсульоване, до капсули прикріплені посмуговані м’я-зеві волокна, які іннервуються гамамотонейронами передніх рогів спинного мозку. Це той унікальний випадок, коли рецептор іннервується від чого змі-нюється поріг його збудження. В середині капсули розміщуються нервові тер-міналі та м’язеві волокна з ядерною сумкою або ядерним перев’язом. Нер-вові терміналі утворюють аннуло-спіральне закінчення і все це оточено рідиною. Основна функція м’язевих веретен - реагування на м’язе-ві скорочення та на зміни тонусу м‘язів. Між іншим, стає зрозумілим різ-ке підвищення величини сухожильних рефлексів (колінного та ахілового*, а також поява ряду патологічних рефлексів (Бабінського, Опенгеймера* при центральних паралічах, коли розгальмовуються гамамотонейрони, викли-каючи підвищення тонусу і зниження порогу збудливості м’язових вере-тен.
Іноді нервові закінчення утворюють на епітеліальних клітинах струк-тури - так звані дотикові меніски, що можна виявити на клітинах Мерке-ля. Така морфологічна взаємодія полегшує дотикові сприйняття. Тісні мор-фологічні контакти утворюються між дендритами та спеціалізованими епі-теліальними клітинами в органах смаку (смакові цибулини*, волосковими клі-тинами органу слуху та рівноваги.
Окрему групу нервових закінчень складають еферентні нервові закін-чення, які утворені терміналями аксону та структурами виконавчого органу, кровоносними судинами або іншими нервовими клітинами. Еферентні нервові закінчення на структурах м’язової тканини, зокрема поперечно-посмугова-ної, утворюються в результаті взаємодії розгалужень аксона та оболонки м‘язевого волокна. При проникненні нервових терміналей через базальну мембрану волокна втрачаються олігодендрогліоцити і із сарколемою контак-тує неврилема аксона. При цьому неврилема виконує роль пресинаптичної мембрани, а сарколема - постсинаптичної мембрани. Ширина синаптичної щілини сягає 50 нм. Закінчення аксона містять міхурці з медіатором аце-тилхоліном, мітохондріїї та гладку ЕПС. Постсинаптична мембрана – сарко-лема, у тій частині мембрани, що межує з Т-трубками, містить нікотин-чутливі холінорецептори. Суть взаємодії аксона із м‘язовим волокном по-лягає в тому, що в результаті деполяризації мембрани аксона, вивільняють-ся із елементів ЕПС іони кальцію, які і призводять до виходу ацетилхоліну в синаптичну щілину. Взаємодія ацетилхоліну з холінорецепторами викликає деполяризацію постсинаптичної мембрани, з подальшим включенням механіз-мів спряження збудження і скорочення в м’язевому волокні.
Історія відкриття механізму передачі збудження з нерва на виконав-чий орган, наприклад м‘яз, і цікава, і повчальна. Ідею висунули вперше на початку ХХ століття фармакологи, які на прикладі дії адреналіну на м‘яз продемонстрували можливість імітувати скорочення, як і при подразненні симпатичних нервових волокон (Elliott T.R. 1905*.
Ряд фізіологів в дослідах на собаках намагались отримати мускарино-подібну речовину, яка виділяється в серці при падразненні волокон блука-ючого нерва (Dixon W.E. 1907*. Логіка експерименту бездоганна, робоча гіпотеза вірна, але вибір експериментальної моделі був невдалим. Прой-дуть роки і науці стане відомо, що при активації блукаючого нерва на йо-го закінченнях виділяється ацетилхолін, який взаємодіє з мускаринчутливими рецепторами сарколеми кардіоміоцитів. Чому ж зазнав невдачі Діксон? Справа в тому, що разом з медіатором, зокрема ацетилхоліном, одночасно в синап-тичну щілину із закінчень аксона поступає і ацетилхолінестераза. Активність холінестерази у теплокровних тварин висока, вона присутня не тільки в синап-тичній щілині, а і в крові і тому виявити ацетилхолін в крові, взятій із серця, стало неможливим через його гідроліз холінестеразою. Пройде 15 років і напо-легливий дослідник Отто Льові в лабораторії Дейла проведе експеримент, за ре-зультатами якого буде обгрунтована теорія, а О.Льові і Г.Дейл в 1936 р. отримають Нобелівську премію в галузі фізіології і медицини. Як писав пізніше О.Льові ідея експерименту йому приснилась. Він проснувся, зробив запис суті експерименту, але вранці не зміг розшифрувати і зрозуміти суть записанного. Наступної ночі сон повторився, О.Льові піднявся вночі і пішов в лабораторію щоб поставити дослід. Експеримент було вдало здійснено. Везіння Льові поля-гало в тому, що дослід було проведено на серці холоднокровної тварини (жаби*, де кров замінили розчином Рінгера. При відсутності холінестерази крові у холоднокровної тварини, вдалося зареєструвати неве-личкі дози речовини, яка уповільнювала роботу серця при подразненні блукаючого нерва. Перенесення піпеткою розчину Рінгера, взятого із серця на висоті ефекту, на серце інтактної жаби викликало аналогічне досліду уповільнення роботи серця.
Наступні дослідження повністю підтвердили правильність теорії в тому, що взаємодія нервових клітин між собою та з виконавчими органами забезпе-чується хімічними речовинами, які отримали назву медіаторів.
Цікаво було б провести функціональну класифікацію аферентних нер-вових закінчень. Нейрофізіологи виділяють екстеро- та інтерорецептори в залежності від того сприймаються параметри зовнішнього чи внутрішнього середовища. Крім того, розрізняють барорецептори, механорецептори, термо-рецептори (холодові і теплові*, тактильні рецептори, смакові, слухові, рів-новаги. Особливу групу рецепторів складають так звані хеморецептори, які реагують на СО2, рО2, рН, концентрацію окремих електролітів, осмотич-ний тиск та інші параметри. Одначе зразу треба зазначити, що специфіч-ність сприйняття не вдалося зв‘язати із особливостями структури рецептора. Більш-менш орієнтовно можна вести мову про роль структури в меха-нізмах збудження при виясненні ролі тілець Меркеля, Фатер-Пачіні, Мейс-нера, м’язових веретен та хеморецепторів каротидного синуса. Історія вив-чення цього питання сягає 1826 р. коли І. Мюллер сформулював гіпотезу, згід-но з якою характер відчуття визначається не природою подразнюючого фак-тора, а наявністю в нервовій структурі гіпотетичної внутрішньої спеціа-лізованої енергії. Детальні механізми сприйняття подразнень невідомі і можна припустити, що їх вирішення лежить не в розумінні структури ре-цептора, а в оцінці структур мозку, де відбувається цей аналіз.
Щоб перейти до питань структурно-функціональної організації окремих органів нервової системи необхідно ще зупинитись на питанні про механізми взаємодії нервових клітин між собою. Варто зазначити, що визнання медіаторних механізмів в передачі збудження із нерва на м’яз, або на іншу нервову клітину проходило з великими труднощами. Певний вклад у вивчення цього питання внесли російські нейрофізіологи, зокрема А.Ф.Самойлов (Самойлов А.Ф. 1924*. Він писав: ”узагальнюючи ми могли би дальше сказати, що скрізь, де немає злиття між пограничними клітинами і де процес збудження повинен перейти з однієї клітини на іншу, чи то в синапсі в центральній нер-вовій системі, чи на межі між еферентними нервовими волокнами і еферент-ними органами, ми зрозуміємо особливості передачі збудження, і затримку часу, і односторонність передачі, і суммацію, і інше, якщо допустимо, що з двох контактуючих клітин одна виробила в собі здатність виділяти подраз-нюючу речовину, а інша – здатність реагувати на цю речовину”. Значний вклад у вивчення цих питань внесли проф. Киб’яков А.В. (1964*, О.Г. Гінецинський (1970*, Коштояну Х.С. (1938*, Черніговський В.М. (1938*.
В процесі багатопланових наукових досліджень нейрофізіологів, фар-макологів, електрофізіологів і біохіміків було доказано, що в хімічних нервових синапсах медіатор повинен накопичуватись в закінченнях аксона у вигляді пу-хирців, оточених мембраною. Поруч знаходяться мітохондрії та цистерни гладкої ендоплазматичної сітки, що містять іони кальцію. При деполяризації пресинаптичної мембрани активуються Ĝ-білки, які сприяють вивільненню іонів кальцію. Іони кальцію, взаємодіючи з мембраною синаптичних пухирців, вивільняють медіатор, який поступає через канали пресинаптичної мембрани в синаптичну щілину. Медіатор комплементарно приєднується до рецепторів по-стсинаптичної мембрани, в результаті чого відбувається деполяризація даної мембрани, якщо синапс має фізіологічне призначення збудження, або відбу-вається гіперполяризація постсинаптичної мембрани, якщо данний синапс є гальмівним.
Надзвичайно цікавим виявилось питання про механізми, які зупиняють дію медіатора на постсинаптичну мембрану. Було встановленно, що в окремих випадках разом із медіатором в синаптичну щілину виділяється і фермент, який гідролізує даний медіатор (наприклад ацетилхолінестераза, моноаміноксидаза і інші*. В таких випадках можна впливати на характер передачі імпульсів в си-напсах не тільки через зміну синтезу медіатора, а і через швидкість його фер-ментативного гідролізу. Поряд з цим відомо, що “очистка” синаптичної щілини відбувається також за рахунок зворотнього захвату молекул медіатора преси-наптичною мембраною і поверненням його в пресинаптичні пухирці. Слід зазначити, що це самий економний шлях використання медіатора. Можна допустити, що частина медіатора після приєднання його до постсинаптичної мембрани разом із рецептором здійснює переміщення в цитоплазму дендрита або в перикаріон де і інактивується. Вже на початку досліджень механізмів структурної організації синапсів було доведено, що в одному синапсі виділяється і діє один медіатор – правило Дейла. (Dale H. 1935*
В науці поставлено і вивчається питання про медіатори і модулятори у взаємодії нейронів. Як серед наведенних хімічних речовин, так і серед великої кількості інших біологічно активних речовин є такі, що головним чином вико-нують функції медіатора в конкретній структурі, яка називається синапс. В той же час, ряд хімічних речовин, взаємодіючи з рецепторами постсинаптичної мембрани запускають біохімічні реакції, які можуть змінити не стільки кіль-кісну, скільки якісну сторону функціонування аферентного нейрона. Правда, це запускання вимагає внесення коректив в правило Дейла. Тобто, що в одному синапсі виділяється не тільки медіатор, а і модулятор.
Вивчення хімічної передачі в нервових синапсах має багато труднощів і до оригінальних розробок Уіттейкера В. (V.Whittaker* і E. де Робертіса (E. de Ro-bertis* було майже неможливим. При обережному руйнуванню в гомогенізаторі тканини певних ділянок мозку можна отримати нервові закінчення, що містять пухірці медіатора – так звані синаптосоми. Шляхом диференційного центрифу-гування в сахарозі синаптосоми можна виділити і провести на цьому матеріалі біохімічні дослідження.
Цікаві дані були отримані при використанні явища флюорисценції катехо-ламінів та серотоніну (метод Б.Фалька B.Falck та Н. Хіларпа N.Hillarр*.
В останні роки широко вивчаються в якості медіаторів ряд нейропептидів – енкефаліни та ендорфіни. Ці речовини мають властивість приєднуватись до нейронів там, де діють морфін та інші опіати. Виявилось, що опіоїдні рецеп-тори локалізуються переважно там, де в головному мозку здійснюється рецеп-ція болі та сприймаються емоційні збудження.
Питома вага нейропептидів та їх роль в механізмах взаємодії нервових клі-тин між собою ще тільки вивчаються і нейрофізіологія найближчим часом отримає ряд нових, іноді непередбачуваних фактів і теорій.
Варто зазначити, що визнання медіаторних механізмів в передачі збудження із нерва на м’яз, або на іншу нервову клітину проходило з великими труднощами. Певний вклад у вивчення цього питання внесли російські нейрофізіологи, зокрема А.Ф.Самойлов (Самойлов А.Ф. 1924*. Він писав: ”узагальнюючи ми могли би дальше сказати, що скрізь, де немає злиття між пограничними клітинами і де процес збудження повинен перейти з однієї клітини на іншу, чи то в синапсі в центральній нер-вовій системі, чи на межі між еферентними нервовими волокнами і еферент-ними органами, ми зрозуміємо особливості передачі збудження, і затримку часу, і односторонність передачі, і суммацію, і інше, якщо допустимо, що з двох контактуючих клітин одна виробила в собі здатність виділяти подраз-нюючу речовину, а інша – здатність реагувати на цю речовину”. Значний вклад у вивчення цих питань внесли проф. Киб’яков А.В. (1964*, О.Г. Гінецинський (1970*, Коштояну Х.С. (1938*, Черніговський В.М. (1938*.
В процесі багатопланових наукових досліджень нейрофізіологів, фар-макологів, електрофізіологів і біохіміків було доказано, що в хімічних нервових синапсах медіатор повинен накопичуватись в закінченнях аксона у вигляді пу-хирців, оточених мембраною. Поруч знаходяться мітохондрії та цистерни гладкої ендоплазматичної сітки, що містять іони кальцію. При деполяризації пресинаптичної мембрани активуються Ĝ-білки, які сприяють вивільненню іонів кальцію. Іони кальцію, взаємодіючи з мембраною синаптичних пухирців, вивільняють медіатор, який поступає через канали пресинаптичної мембрани в синаптичну щілину. Медіатор комплементарно приєднується до рецепторів по-стсинаптичної мембрани, в результаті чого відбувається деполяризація даної мембрани, якщо синапс має фізіологічне призначення збудження, або відбу-вається гіперполяризація постсинаптичної мембрани, якщо данний синапс є гальмівним.
Надзвичайно цікавим виявилось питання про механізми, які зупиняють дію медіатора на постсинаптичну мембрану. Було встановленно, що в окремих випадках разом із медіатором в синаптичну щілину виділяється і фермент, який гідролізує даний медіатор (наприклад ацетилхолінестераза, моноаміноксидаза і інші*. В таких випадках можна впливати на характер передачі імпульсів в си-напсах не тільки через зміну синтезу медіатора, а і через швидкість його фер-ментативного гідролізу. Поряд з цим відомо, що “очистка” синаптичної щілини відбувається також за рахунок зворотнього захвату молекул медіатора преси-наптичною мембраною і поверненням його в пресинаптичні пухирці. Слід зазначити, що це самий економний шлях використання медіатора. Можна допустити, що частина медіатора після приєднання його до постсинаптичної мембрани разом із рецептором здійснює переміщення в цитоплазму дендрита або в перикаріон де і інактивується. Вже на початку досліджень механізмів структурної організації синапсів було доведено, що в одному синапсі виділяється і діє один медіатор – правило Дейла. (Dale H. 1935*
Хімічними медіаторами виявились:
Ацетилхолін
(переважно в синапсах стовбура мозку, зорових пагорбів*
Дофамін
(переважно в структурах стріапалідарної системи, чорної субстанції, голу-бої плями*
Норадреналін
(в синапсах нейронів стовбура мозку, варолієвого моста, довгастого мозку та на закінченнях симпатичної нервової системи*
Cеротонін
(в нейронах стовбура мозку, спинного мозку, кори великих півкуль, гіпоталамусі, мігдалевидному комплексі*
Глутамат та ГАМК
(Глутамат синтезується в клітинах мозку із α-кетоглутарової кислоти. Вис-тупає і як медіатор, і як попередник ГАМК. Виявляється в клітинах Пур-кіньє, Гольджі, чорній субстанції, стріапалідарній системі. Медіатор в га-льмівних синапсах.*
Гліцин
(Медіатор гальмує α-моторні зони передніх рогів спинного мозку та рухові ядра довгастого мозку.*
Гістамін
(біля 50 років ведуться дискусії про можливу роль гістаміну як медіатора, хоча прямих доказів немає*
В науці поставлено і вивчається питання про медіатори і модулятори у взаємодії нейронів. Як серед наведенних хімічних речовин, так і серед великої кількості інших біологічно активних речовин є такі, що головним чином вико-нують функції медіатора в конкретній структурі, яка називається синапс. В той же час, ряд хімічних речовин, взаємодіючи з рецепторами постсинаптичної мембрани запускають біохімічні реакції, які можуть змінити не стільки кіль-кісну, скільки якісну сторону функціонування аферентного нейрона. Правда, це запускання вимагає внесення коректив в правило Дейла. Тобто, що в одному синапсі виділяється не тільки медіатор, а і модулятор.
Вивчення хімічної передачі в нервових синапсах має багато труднощів і до оригінальних розробок Уіттейкера В. (V.Whittaker* і E. де Робертіса (E. de Ro-bertis* було майже неможливим. При обережному руйнуванню в гомогенізаторі тканини певних ділянок мозку можна отримати нервові закінчення, що містять пухірці медіатора – так звані синаптосоми. Шляхом диференційного центрифу-гування в сахарозі синаптосоми можна виділити і провести на цьому матеріалі біохімічні дослідження.
Цікаві дані були отримані при використанні явища флюорисценції катехо-ламінів та серотоніну (метод Б.Фалька B.Falck та Н. Хіларпа N.Hillarр*.
В останні роки широко вивчаються в якості медіаторів ряд нейропептидів – енкефаліни та ендорфіни. Ці речовини мають властивість приєднуватись до нейронів там, де діють морфін та інші опіати. Виявилось, що опіоїдні рецеп-тори локалізуються переважно там, де в головному мозку здійснюється рецеп-ція болі та сприймаються емоційні збудження.
Питома вага нейропептидів та їх роль в механізмах взаємодії нервових клі-тин між собою ще тільки вивчаються і нейрофізіологія найближчим часом отримає ряд нових, іноді непередбачуваних фактів і теорій.
СОМАТИЧНА НЕРВОВА СИСТЕМА
Нервова система складається із двох відділів: центральна нервова система і периферійна нервова система. Центральна нервова система представлена го-ловним і спинним мозком, а периферійна – гангліями, нервами та їх закінчен-нями.
ПЕРИФЕРІЙНИЙ ВІДДІЛ СОМАТИЧНОЇ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ:
Структурна організація нервових закінчень розглянута в попередніх розділах.
