<<
>>

Основные взаимодействия нейронов и их отражение в электрических потенциалах

Поверхность тела, дендритов и аксонов нервной клетки образована оболочкой, называемой мембраной По своим электрическим свойствам внутриклеточное вещество и экстраклеточная среда являются электроли­тами Мембрана нейрона для токов и напряжений, имеющихся в нервной системе в состоянии покоя, является изолятором Она состоит из белко­вых, липидных и углеводных соединений и выполняет 1) механические функции изоляции внутриклеточного вещества от окружающего простран­ства; 2) уже упоминавшиеся электрические функции, 3) сложные биохими­ческие функции, обеспечивающие избирательное пропускание определен­ных ионов из внутренней среды клетки вовне и обратно Ферментные системы нейрона осуществляют обмен веществ, энергия которого обеспечивает направ­ленный ток ионов через каналы мембраны нейрона В результате в окружаю­щей среде нейрона накапливается избыток положительных ионов, что обеспе­чивает в состоянии покоя разность потенциалов между экстраклеточным и внут- риклеточым пространством, составляющую для разных нейронов 70-90 мВ, причем внутренняя среда клетки оказывается заряженной отрицательно по от­ношению к внешней Основные ионы, определяющие эту разность потенциалов.

Кл №+. 1ЧН4+. Са2н^, С1' и некоторые другие органические и неорганические ионы Большая часть этой разности потенциалов определяется избытком ионов >^а+ во внеклеточном пространстве. Эта разность потенциалов называется по- тенциалом покоя и является фоном и условием, определяющим развитие ос­новных возбудительных и тормозных процессов в нейроне. Прекращение обме­на веществ в клетке приводит к прекращению процессов перекачивания ионов через мембрану, к исчезновению разности потенциалов между сторонами мем­браны и соответственно к прекращению функции клетки Такое состояние, раз­вивающееся в больших популяциях нервных клеток, приводит к исчезновению как спонтанной, так и вызванной электрической активности мозга при отведе­нии ее макроэлектродом, что в частности характерно для состояния непосред­ственно после припадка и является механизмом послеприпадочного паралича Тодта

Возбуждение или торможение нейрона в норме развивается вследствие воздействий, приходящих к нему от других нейронов через синапсы - места контакта нейронов.

Синапс - это сложное образование, в области которого происходит передача информации от нервных окончаний одного нейрона к другому нейрону Большинство синапсов располагается на дендритах нейрона, меньшее количество - на теле и небольшое количество - на аксо­нах, как правило, в области их окончаний При чрезвычайном разнообра­зии синапсов все они имеют общий план строения Они состоят из так на­зываемой синаптической бляшки, представляющей собой расширение окон­чания аксона, подходящего к клетке, синаптической щели и постсинапти- ческой мембраны

В синаптической бляшке находятся везикулы (пузырьки), содержа­щие молекулы химического вещества, передающего сообщение от одной нервной клетки к другой Эти вещества носят название нейротрансмитте­ров При приходе возбуждения к нервному окончанию аксона везикулы синаптической бляшки разрываются, при этом определенное количество нейротрансмиттера выбрасывается в синаптическую щель. Нейротрансмит­тер, достигая постсинаптической мембраны нейрона, вызывает его возбуж­дение или торможение в зависимости от типа синапса. В настоящее время известно большое количество веществ, являющихся нейротрансмиттерами или обладающих такими свойствами. Одним из наиболее изученных транс­миттеров, играющих роль передатчика возбуждения в центральной нервной системе, парасимпатической нервной системе к в нейромышечных синап­сах, является ацетилхолин В качестве тормозного нейротрансмиттера, на­пример в хвостатом ядре, выступает допамин. Тормозным нейротрансмит­тером является также гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Нейротран­смиттерами, играющими роль в передаче возбуждения или торможения в зависимости от типа нейронов, являются также адреналин и норадрена- лин, серотонин и, по-видимому, многие другие вещества. Особое значение име­ют возбудительные нейротрансмиттеры - глюгамат и аспартат, играющие важ­ную роль в передаче эпилептического возбуждения.

Как уже указывалось, нейротрансмиттеры осуществляют передачу возбуждения или торможения, воздействуя на постсинаптическую мембра­ну нейрона Постсинаптическая мембрана - это участок мембраны нейро­на, находящийся непосредственно под синаптической бляшкой и отделен­ный от нее синаптической щелью.

Этот участок имеет особое строение и обладает особыми химическими свойствами Часто мембрана в этом учас­тке собрана в многочисленные складки, что, по-видимому, создает усло­вия для более массивного контакта с нейротрансмиттером Кроме того, в этой области мембрана в сотни тысяч раз более чувствительна к воздей­ствию трансмиттера, чем в других участках.

Одиночное возбуждающее синаптическое воздейстствие в большин­стве случаев не вызывает возбуждения всего нейрона и распространения возбуждения по аксону, а сопровождается только местными изменениями состояния мембраны. Возбуждающее воздействие - это такое изменение состояния нейрона, которое облегчает возможность передачи возбуждения через этот нейрон к другим нейронам или к исполнительным органам. Тор­можение затрудняет такую передачу и как бы «запирает» нейрон для пере­дачи возбуждения

Рассмотрим процесс возбуждения нейрона Под влиянием нейротран­смиттера, выделившегося из возбуждающей синаптической бляшки, в ре­цепторных системах постсинаптической мембраны возникает ряд химичес­ких преобразований, которые изменяют проницаемость мембраны для ионов В результате этого ионы натрия начинают поступать внутрь клет­ки, а ионы калия - в экстраклеточное пространство, причем количество про­никающих ионов натрия превышает таковое для калия. В связи с этим разность потенциалов между внутри- и внеклеточным пространством уменьшается, происходит деполяризация мембраны нейрона. Если не пос­ледовало дополнительного возбуждающего воздействия, мембрана вскоре восстанавливает свое исходное состояние и потенциал ее возвращается к уровню покоя Такие отклонения потенциала имеют относительно неболь­шую амплитуду (порядка единиц мВ) и сравнительно большую длитель­ность (до десятков и сотен миллисекунд). Если возбуждающие воздействия следуют через синапс с короткими интервалами или на нейрон поступают одно­временно возбуждающие воздействия от нескольких синапсов, то это возбуж­дающее воздействие суммируется, и деполяризация оказывается пропорцио­нально большей, что приближает уровень возбуждения нейрона к состоянию, когда им будет генерирован потенциал действия, распространяющийся по аксону к другим нервным клеткам или исполнительным органам

Тормозные нейротрансмиттеры изменяют состояние мембраны таким образом, что разница концентрации положительно заряженных ионов меж­ду сторонами мембраны становится больше, т е происходит гиперполяриза­ция мембраны.

При осциллографической регистрации с расположением актив­ного электрода внутри нейрона гиперполяризация проявляется отклонением потенциала в сторону негативности, а деполяризация - в сторону позитивнос­ти В естественных условиях, таким образом, уровень отклонения потенциала определяется комбинацией возбуждающих и тормозящих синаптических влия­ний на нейрон В случае преобладания возбуждающих влияний происходит сдвиг потенциала от уровня покоя в сторону позитивности, при преобладании тор­мозных влияний - в сторону негативности

При достижении деполяризацией определенного критического уров­ня, называемого порогом нейрона, возникает качественное изменение про­ницаемости мембраны таким образом, что выход калия во внеклеточное пространство и проникновение натрия внутрь клетки резко активируются и приобретают свойства самоподдерживающегося процесса, распростра­няющегося на соседние участки мембраны нейрона Возникает кратковре­менная инверсия потенциала мембраны, так что внутренняя среда на ко­роткое время оказывается заряженной положительно по отношению к внеш­ней При внутриклеточном расположении регистрирующего электрода это изменение потенциала характеризуется высокоамплитудным отклонением положительной полярности и носит название спайк (от англ. зргке - пик, острие) за его заостренную форму Спайк имеет амплитуду порядка десятков мВ и со­стоит из быстрого позитивного отклонения, длящегося около 0,5 мс, быстрой реполяризации (возвращения потенциала почти до изоэлектрической линии), для­щейся около 1 мс, и затем нескольких более медленных низкоамплитудных ко­лебаний около уровня потенциала покоя, называемых медленной реполяризаци­ей и следовой гиперполяризацией. Этот потенциал носит название потенциал действия нейрона (рис 2) Потенциал действия с большой скоростью бездек- рементно (не уменьшаясь по амплитуде) распространяется по аксону и через нервные окончания передает возбуждение или другим нервным клеткам или эффекторным органам

Характерными особенностями спайков являются их высокая амплитуда (порядка 50-125 мВ), небольшая длительность (порядка 1-2 мс), приуроченность их возникновения к достаточно строго ограниченному электрическому состоя­нию мембраны нейрона (критический уровень деполяризации) и относительная стабильность амплитуды спайка для данного нейрона (закон «все или ничего») Градуальные электрические реакции деполяризации и гиперполяризации под влиянием синаптических нейротрансмиттеров присущи в основном дендри- там и телу нейрона и называются постсинаптическими потенциалами (ПСП) Соответственно ПСП, возникающие в ответ на приход к нейрону спай- ковы х потенциалов по возбуждающим афферентным путям, называются воз­буждающими постсинаптическими потециалами (ВПСП), а по тормозя­щим - тормозными постсинаптическими потенциалами (ТПСП).

Эти по­тенциалы отличаются локальностью, декрементным распространением на ко­роткие расстояния по соседним участкам дендритов и сомы, сравнительно ма­лой амплитудой (от единиц до 20-40 мВ), большой длительностью (до 20-50 мс) В отличие от спайка ПСП возникают в большинстве случаев независимо от уровня поляризации мембраны и имеют различную амплитуду в зависимое- ти от объема аффрентной посылки, пришедшей к нейрону и его дендритам Все эти свойства обеспечивают возможность суммации градуальных потенциа­лов во времени и пространстве, отображающей интегративную деятельность нейрона Именно процессы суммации ТПСП и ВПСП определяют уровень де­поляризации нейрона и соответственно вероятность генерации нейроном спайка, т е передачи накопленной информации другим нейронам.

Как видно, оба эти процесса оказываются тесно связанными если уро­вень спайковой бомбардировки, обусловленной притоком по афферентным во­локнам к нейрону, определяет колебания мембранного потенциала, то уровень мембранного потенциала (градуальные реакции) в свою очередь обусловлива­ет вероятность генерации спайка данным нейроном (рис. 3)

Таким образом, электрическая активность мозга отображает градуаль­ные колебания соматодендритных потенциалов, соответствующих ВПСП и ТПСП и отчасти потенциалов действия ЭЭГ является результатом сложной суммации электрических потенциалов многих нейронов, работающих в значи­тельной степени независимо Отклонения от случайного распределения собы­тий в этой модели будут зависеть от функционального состояния мозга (сон. бодрствование) и от характера процессов, вызывающих элементарные потен­циалы (спонтанная или вызванная активность)

В случае значительной временной синхронизации активности нейронов, как это отмечается при некоторых функциональных состояниях мозга или при по­ступлении на корковые нейроны высокосинхронизированной посылки от аффе­рентного раздражителя, будет наблюдаться значительное отклонение от слу­чайного распределения Это реализуется в повышении амплитуды суммарных потенциалов и увеличении когерентности между элементарными и суммарны­ми процессами, что особенно характерно для электрической активности мозга при эпилепсии Синхронизация и десинхронизация в ЭЭГ отражаются в сложно­сти и динамичности ее суммарного рисунка, регистрируемого макроэлектрода­ми от интактных покровов головы.

Диапазон основных колебаний ЭЭГ состав­ляет 0,5-70 Гц, который подразделяют на 4 основных полосы, обозначаемые греческими буквами, а-активность (8-13 Гц), /3-активность (14 - 40 Гц), 9-активность (4-6 Гц), 3-активность (0,5-3 Гц).

Как показано выше, электрическая активность отдельных нервных кле­ток отражает их функциональную активность по переработке и передаче ин­формации Отсюда можно сделать заключение, что суммарная ЭЭГ также в преформированном виде отражает функциональную активность, но уже не отдельных нервных клеток, а их громадных популяций, т е, иначе говоря, функциональную активность мозга. Это положение дает ключ к понима­нию того, какие системы мозга определяют внешний вид и внутреннюю органи­зацию ЭЭГ

В стволе, диэнцефальной и лимбической системах имеются ядра, ак­тивация которых приводит к глобальному изменению уровня функциональ­ной активности практически всего мозга. Среди этих систем выделяют так называемые восходящие активирующие системы, расположенные на уровне

Рис. 2. Возбудительные и тормозные взаимодействия на нейроне и соответствующие им элек­трические потенциалы Позитивное отклонение внутриклеточного потенциала, соответству­ющее возбуждению и деполяризации, направлено вверх, негативное, соответствующее тор­можению и гиперполяризации - вниз Возбудительные синаптические окончания - «пустые», тормозные - заштрихованы Активация тормозного синапса приводит к локальному тормоз­ному постсинаптическому потенциалу (ТПСП), активация возбудительного синапса - к воз- б\дительному постсинаптическому потенциалу (ВПСГ1) Вверху слева одновременная акти­вация четырех возбудительных синапсов приводит к их суммации и к генерации на пике депо­ляризации двух потенциалов действия («ПД») в виде спайков («СПАЙКИ») Внизу справа на дендрите под аксоном суммация ВПСП и ТПСП не дает существенного сдвига мембранного потенциала У основания аксонного холмика одновременная активация 2 из сосредоточенных здесь тормозных синапсов, приводит к увеличению гиперополяризационного суммарного сдвига мембранного потенциала В аксоне («АКСОН») генерируются только спайковые по­тенциалы действия, обеспечивающие бездекрементную передачу возбуждения к другим ней­ронам

Рис. 3. Соотношения между колебаниями уровня соматодендритных ПСП с генерацией ней­роном спайков - 70 мВ - потенциал покоя мембраны - 20 мВ - уровень критической деполя­ризации, ниже которого возникает генерация нейроном потенциала действия - спайка Видно соответствие периодов генерации спайков периодам избыточной деполяризации мембраны нейрона, вызванной возбудительной синаптической активацией

ретикулярной формации среднего и в преоптических ядрах переднего мозга и подавляющие, или тормозящие, сомногенные системы, расположенные глав­ным образом в неспецифических таламических ядрах, в нижних отделах моста и продолговатом мозге Общими для обеих этих систем являются ретикуляр­ная организация их подкорковых механизмов, тесная связь гомологичных струк­тур двух полушарий через поперечные спайки мозга и диффузные, двусторон­ние корковые проекции Такая общая организация способствует тому, что ло­кальная активация части неспецифической подкорковой системы благодаря ее сетевидному строению приводит к вовлечению в процесс всей системы и к практически одновременному распространению ее влияний на весь мозг (рис 4). Это определяет роль неспецифических срединных структур мозга в генерали­зации эпилептического процесса, а вовлечение в эпилептические разряды са­мих неспецифических систем объясняет механизмы нарушения сознания при эпилептических приступах

Возбуждение активирующих ретикулокортикальных систем приводит к десинхронизации на ЭЭГ, проявляющейся высокочастотной, низкоам­плитудной, нерегулярной по частоте электрической активностью Тесная связь повышения уровня функциональной активности с десинхронизаци­ей на ЭЭГ привела к тому, что в литературе пробуждающие системы мозга часто обозначают синонимом «десинхронизирующие», что является в огра­ниченной степени справедливым.

Высокий уровень функциональной активности, соответствующий эмоциональному напряжению, направленному вниманию, выполнению новой задачи, требующей интеллектуальной мобилизации, характеризует­ся повышением объема перерабатываемой мозгом информации, требова­ний к гибкости и мобильности мозговых систем Для этого необходима боль­шая автономия нейронов в осуществлении их функций Это повышение сво­боды и автономности отдельных нейронов и проявляется десинхронизаци­ей в суммарной электрической активности При эпилепсии патологическое возбуждение активирующих восходящих систем вследствие эпилептических разрядов нейронов в медиобазальных структурах приводит в так называемой «насильственной нормализации» ЭЭГ, сопровождающейся клинически психомо­торным возбуждением, спутанностью, онейрическими и галлюцинаторными пе­реживаниями.

Появление низкоамплитудной высокочастотной активности в ЭЭГ в начале абсанса и некоторых других эпилептических приступов очевидно, так­же связано с начальным ответом десинхронизующих неспецифических систем на первые эпилептические разряды в глубинных структурах мозга

Обратные изменения наблюдаются при активации сомногенных ретикуло- и таламо-кортикальных систем При этом происходит переход на более низкий уровень бодрствования, к дремотному состоянию или сну Снижение уровня функциональной активности сопровождается сокраще­нием афферентного притока и большей зависимостью организации нейрон­ной активности мозга от эндогенных механизмов В этих условиях отдель­ные нейроны, объединяясь в большие синхронизированные группы, оказы-

Рис. 4. Восходящая ретикуло-кортикальная неспецифическая система регуляции уровня фун­кциональной активности мозга ДС1 и ДС2 - десинхронизующие активирующие системы сред­него мозга и переднего мозга соответственно С1 и С2 - синхронизующие тормозящие сомно- генные системы продолговатого мозга и моста и неспецифических ядер промежуточного моз­га соответственно ДС2 и С2 включают помимо неспецифических ядер таламуса, неспецифи­ческие ядра гипоталамуса, ядра перегородки, свод, орбито-фронтальную кору базальных отделов лобных долей и поперечные межполушарные связи между этими структурами. Явля­ясь основными целевыми ядрами гиппокампальных эфферентных систем ДС2 и С2 играют важнейшую роль в двустороннем распространении и генерализации через свои диффузные эфферентные проекции эпилептической активности, возникающей в гиппокампальной форма­ции или срединных структурах мозга ваются в большей зависимости от связанных с ними больших популяций ней­ронов. Мозговые системы работают в этих условиях как бы на резонансных режимах, в связи с чем ограничиваются возможности включения нейронов в новую активность и возможности их реагирования на поступающие извне сти­мулы Такая синхронизированная активность соответствует меньшей информа­ционной содержательности процессов мозга, характерной для сна без сновиде­ний, наркоза или глубокой комы, и в существенной степени объясняет отклоне­ния в когнитивной, эмоциональной и поведенческой активности больных эпи­лепсией В ЭЭГ это проявляется синхронизацией с появлением высокоампли­тудной ритмичной билатерально-синхронной активности. Именно гипер­синхронией нейрональной активности при снижении уровня бодрствования объясняется нарастание эпилептической гиперсинхронной активности в опре­деленных стадиях сна.

Описанные выше межнейрональные взаимодействия непосред­ственно реализуются синаптическими нейротрансмиттерными системами Хотя внешне наблюдаемое поведение по большей части связано с возбуди­тельными синаптическими взаимодействиями, в организации интегратив­ной активности мозга, структурировании информационных процессов и поведения, а также стабилизации уровня функциональной активности коры важнейшая роль принадлежит тормозным синаптическим механизмам Помимо охватывающих все уровни ЦНС, начиная от спинного мозга и кончая корой, мощно развитых систем коллатерального торможения [33], описаны специальные тормозные пути на уровне таламических ядер, под­корковых ганглиев, таламо-кортикальных систем, мозжечка, мозжечково­лимбических проекций [247] Особое значение придается ГАМК-эргичес- ким тормозным системам, рассматриваемым как один из основных меха­низмов препятствия переходу мозга на эпилептический режим работы [33, 43, 44]. Одной из стратегических задач противоэпилептического лечения считается усиление эндогенных противодействующих припадкам механиз­мов в местах приложения ГАМК-эргических рецепторов

Определенный уровень синхронизации систем мозга является не­обходимым условием его надежности. При дефектности тормозных меха­низмов на тот же объем афферентного притока мозговые системы реагиру­ют синхронным ответом гораздо больших популяций нейронов, а в свою очередь генерируемые этими нейронами более массивные и синхронные залпы потенциалов действия обусловливают более массивные ответы ней­ронов последующих каскадов. Важнейшая роль здесь принадлежит неспе­цифическим лимбико-ретикулярным структурам, содержащим на всех уров­нях ядра с активными тормозными механизмами и ГАМК-чувствительными рецепторами. Среди них в контроле тонических и клонических припадков важ­ная роль отводится черной субстанции, ядрам мозжечка [30, 247]

р

<< | >>
Источник: Клиническая эпилептология (с элементами нейрофизиологии. 2002

Еще по теме Основные взаимодействия нейронов и их отражение в электрических потенциалах:

  1. 5. МЕДИТАЦИЯ
  2. Содержание
  3. Основные взаимодействия нейронов и их отражение в электрических потенциалах