CC BY
67
МОДЕЛЬНЫЕ ОРГАНИЗМЫ И
КЛЕТОЧ ОРГАНИ
НЕРВНЫХ ЦЕНТРОВ
Немецкий гистолог В. Вальдейер в 1891 г. вводит термин «нейрон» и формулирует основное положение нейронной теории, согласно которой нейроны вступают в функциональную связь друг с другом посредством соприкосновения клеток без создания какой-либо непрерывности их отростков. При этом нейрон определяется как структурно-функциональная единица нервной системы, состоящая из тела и отростков, с помощью которых она связана с другими клетками (современная трактовка термина дополнена понятием о специфическом проявлении возбудимости нейрона).
Александр Сидоров,
профессор кафедры физиологии человека и животных биологического факультета БГУ, доктор биологических наук, профессор
Несмотря на кажущуюся очевидность такого подхода, представление о том, что каждая нервная клетка является обособленным элементом нервной ткани, достаточно долго завоевывало право на существование. Более того, потребовалось еще около 50 лет для окончательного утверждения этой идеи в 30-40-х гг. ХХ в., то есть прошло почти сто лет после выхода в свет монографии Т. Шванна «Микроскопические исследования» (1839 г.). В ней были изложены основные положения клеточной теории,
■ НЕЙРОНАУКИ
один из принципов которой гласит, что каждая клетка самостоятельна в своей жизнедеятельности.
Такому положению дел во многом способствовало отсутствие надежного метода окраски, позволявшего четко различить отдельные клетки нервной ткани. Первые нейрогистологи при изучении срезов серого вещества мозга могли наблюдать лишь сложную картину переплетающихся волокон. В результате сложилось представление о синцитии в нервной ткани, что и составило основу теории сети, выдвинутой Дж. Герлахом в 1871 г. Ее сущность заключалась в том, что отходящие от нервных клеток волокна, образуя анастомозы, формируют сплошную сеть, собственно и составляющую серое вещество. Однако в 1873 г. итальянский гистолог К. Гольджи публикует короткую заметку в Gazzetta Medica Italiana, в которой сообщает, что ему удалось разглядеть структурные компоненты серого вещества, используя технику импрегнации (пропитки) нервной ткани солями металлов [1].
Основным вкладом в становление представлений о самостоятельности нервных клеток стали наблюдения В. Гиса за развитием нервной системы из отдельных нейро-бластов, А. Фореля - за процессом атрофии нервных клеток при разрушении нервных волокон, и особенно С. Рамон-и-Кахаля - при изучении строения нервной системы в онто- и филогенезе [2].
После утверждения нейронной теории основное внимание нейрофизиологов должно было сосредоточиться на участках контакта нейронов друг с другом. В 1897 г. Ч. Шеррингтон для обозначения области специализированного функ-
ционального контакта между клетками возбудимых тканей вводит термин «синапс», постулировав два его важнейших свойства - односторонность проведения возбуждения и сопровождающую его си-наптическую задержку, подтвержденные в скором времени экспериментально.
Оставалось выяснить, каким именно образом осуществляется передача сигнала от клетки к клетке через область синапса. На этот счет имелись две гипотезы - электрическая и химическая. Опыт О. Леви в 1921 г., посвященный исследованию нервной регуляции деятельности сердца, превратил предположение о химической природе передачи сигнала в нервно-мышечном соединении в твердо установленный экспериментальный факт [3]. В дальнейшем химическая гипотеза была успешно распространена и на другие типы синапсов, в том числе центральные. Однако в 1957 г. Э. Фершпан и Д. Поттер описали электротонический синапс в нервной системе речного рака [4], а электронно-микроскопические исследования показали наличие оригинальной структуры - коннексонов, обеспечивающих прямой контакт цитоплазмы соединенных таким образом клеток [5]. Широкое распространение щелевых контактов между клетками нервной ткани позволяет по-новому взглянуть на теорию сети, по крайней мере при решении вопросов, связанных с координацией активности нервных центров в ЦНС.
Упорядоченность расположения структур нервной системы в сочетании с идеей о локализации функций неизменно наталкивает на мысль о существовании совокупностей нервных клеток, объеди-
ненных по какому-либо признаку,-нервных центров. Очевидно, что в простейших случаях они представляют группу клеток, связанных между собой посредством возбуждающих и тормозных синапсов и образующих сложные нейронные ансамбли - нейронные сети. Их организация в полной мере подчиняется перечисленным выше магистральным принципам физиологии нервных клеток.
Исключительная сложность ней-росетей - одна из трудностей, с которыми столкнулись при анализе их работы у высокоорганизованных животных (высшие позвоночные, включая человека) исследователи. Зачастую нервные центры состоят из нескольких тысяч или даже миллионов клеток, а количество синаптических контактов при этом, по весьма приблизительным подсчетам, составляет как минимум величину на порядок больше. Совершенно очевидно, что при этом отсутствуют реальные предпосылки для составления полных карт связей между отдельными нейронами того или иного центра. В результате хорошо изученными оказываются различные сенсорные входы и моторные ответы, в то время как интегративная деятельность нервной системы остается во многом «черным ящиком» для исследователей мозга.
Одним из возможных решений проблемы явилось широкое использование высших беспозвоночных животных в качестве модельных объектов нейробиологии. Их нервная система содержит до 1 млн клеток, а сравнительно простые нервные системы беспозвоночных (черви, моллюски) состоят не более чем из 100 тыс. нейронов. При этом указанную группу организмов
отличает наличие сложных и разнообразных форм поведенческой активности, для реализации которых необходима работа многих систем, управляемых различными нейронными сетями.
Удивительный пример представляет собой нервная система почвенной нематоды Caenorhabditis elegans, содержащая всего лишь 302 нейрона, при общем числе клеток у взрослой гермафродитной особи, равном 959, и являющаяся инвариантной, то есть независимо от размеров животного в ней всегда насчитывается одно и то же число клеток. Однако размеры нематоды (60 мкм х 1 мм) делают ее ЦНС малопригодной для электрофизиологического анализа работы нейронных сетей, хотя ценность такого организма для решения про-
блем биологии развития, генетики и молекулярной биологии не вызывает сомнений.
Однако основное преимущество беспозвоночных в качестве объектов нейробиологических исследований состоит в возможности идентификации отдельных нервных клеток у любого представителя вида. Идея об уникальности нейронов закрепилась в обиходе нейрофизиологов в 50-60-х гг. ХХ в. и применима к нервной системе как беспозвоночных, так и позвоночных животных. Открытие идентифицируемых нейронов, то есть клеток, имеющих постоянную локализацию в нервной системе, приходится на вторую половину XIX в. и связано с работами Ф. Лейдига и Г. Ретциуса по исследованию строения нервной системы кольчатых червей [6]. В то же
Рис. 1. Пресноводный легочный моллюск 1утпаеа staдnalis
А - внешний вид; Б - нервная система; В - схема дыхательного цикла
время были описаны инвариантные клетки у позвоночных - маут-неровские нейроны продолговатого мозга рыб. Функциональный критерий для идентификации нейронов был применен лишь А. Арвани-таки (1958 г.) в ходе изучения нейронной архитектуры у моллюска Aplysia [7]. На протяжении 19601970-х гг. были составлены карты идентифицируемых клеток нервной системы либо ее частей для моллюсков (Aplysia, Navanax, Tritonia, Helix, Helisoma, Limax и др.), членистоногих (омар, речной рак, таракан, саранча), кольчатых червей (медицинская пиявка). Как правило, количество идентифицируемых индивидуальных нейронов составляет около 10% от их общего числа, а примерно 50% клеток относятся к специфическим скоплениям [6].
В последние десятилетия XX в. внимание нейрофизиологов привлек пресноводный легочный моллюск Lymnaea stagnalis (прудовик обыкновенный) (рис. 1А). Работы, посвященные идентификации нейронов у данного вида, стали массово появляться в научной печати в середине 70-х гг. ХХ в. Своеобразной вехой в развитии исследований мозга прудовика стал выход сборника научных статей «Neurobiology of Invertebrates. Gastropoda Brain» в 1976 г. под редакцией профессора Й. Шаланки из Балатонского лимнологического института (Венгрия). В нем впервые были представлены данные по локализации крупных индивидуальных клеток и скоплений нейронов в пределах центральных ганглиев.
Преимущества, предоставляемые нервной системой прудовика (рис. 1Б) для нейрофизиологических исследований, были подытожены в короткой заметке Д. Миллза
НЕЙРОНАУКИ
D 1
Т
2
Т
3
A - Кластер ▼
4
1 - сокращенное название ганглия;
2 - сторона ганглия;
3 - порядковый номер нейрона
в ганглии; 4 - порядковый номер скопления в ганглии
Рис. 2. Номенклатура идентифицируемых нейронов (А) и их скоплений(Б) в центральных ганглиях 1утпаеа stagnalis
и У. Уинлова с весьма символичным названием: «Мозг прудового моллюска - ответ на мольбу нейрофизиолога?» [8]. Среди прочего было указано на относительно небольшое количество соединительной ткани вокруг ганглиев, расположение тел ярко окрашенных нейронов на внешней поверхности скоплений нервных клеток, незначительную степень концентрации узлов, возможность ионофоретических инъекций красителей как в тела нервных клеток, так и для ретроградного заполнения нервных стволов с последующей визуализацией афферентных и эфферентных путей. Также Ьутпага stagnalis хорошо переносит хирургические манипуляции, а его содержание в лабораторных условиях не требует особых материальных затрат. К тому же это чрезвычайно распространенный на территории Европы, в том числе и Беларуси, вид, что делает его значимым в качестве индикаторного вида в многочисленных экологических и экотоксикологиче-ских исследованиях.
В центральных ганглиях прудовика насчитывается около 1500 нейронов при общем количестве клеток нервной ткани 15 тыс. Их идентификация проводится по размеру, расположению в пределах того или иного ганглия, цвету, величине мембранного потенциала, электрофизиологическим характеристикам потенциала действия, паттерну спонтанной активности, характеру синаптических связей. Номенклатура, используемая для характеристики индивидуальных нейронов и их скоплений у Ьутпага stagnalis, основана на описании положения клетки в пределах определенного ганглия. Впервые ее принципы были изложены в работе П. Бенжами-
R Pe
1
R Pa
1
на и У. Уинлова [9] с предложением использовать следующие комбинации (рис. 2).
Первые буквы представляют собой сокращенное (одно- или двухбуквенное) название ганглия (Я - правый, Ь - левый), например правые и левые: Я. Ре, Ь. Ре - педальные; Я. Р1, Ь. Р1 - плевральные; Я. С, Ь. С - церебральные; Я. Ра, Ь. Ра -париетальные; V - висцеральный ганглий. Следующая буква указывает на поверхность ганглия: Б - дорсальная, V - вентральная. Последняя цифра аббревиатуры - порядковый номер нейрона (как правило,
нумерация идет по направлению
от заднего конца тела к переднему). В случаях со скоплениями нейронов после сокращенного названия добавляется слово «группа» или «кластер». При этом последняя буква обозначает порядковый номер скопления в ганглии.
Нейронная сеть легочного дыхания - один из наиболее изученных участков мозга у Lymnaгa stagnalis. Нормальный респираторный акт прудовика состоит из комплекса стереотипных движений (рис. 1В). Он начинается с перемещения особи в сторону водной поверхности.
Рис. 3. Нейронная организация дыхательной сети Lymnaeastagnalis:
А - схема межнейронных связей; Б - расположение нейронов в пределах ганглиев ЦНС.
Знак «+» - тормозные, знак «-» - возбуждающие химические синапсы;
MN - мотонейроны, открывающие (opener) и закрывающие (closer) пневмостом (PS)
1, 2 - лев. и прав. церебральные; 3, 4 - лев. и прав. педальные; 5, 6 - лев. и прав. плевральные;
7, 8 - лев. и прав. париетальные ганглии; 9 - висцеральный ганглий; St - статоцист.
Когда края губ касаются поверхностной пленки, отмечается движение раковины против часовой стрелки, временное прекращение локомоции и выдвижение пнев-мостома [10]. Затем дыхательное отверстие открывается, а непосредственно процесс самого дыхания занимает 45-60 с. В ряде случаев могут наблюдаться отдельные акты длительностью до 2 мин и больше. После этого дыхательное отверстие закрывается и моллюск, как правило, покидает поверхность воды.
Для описания центрального контроля дыхательной активности Lymnaгa stagnalis предложена классическая структура центрального генератора ритма (ЦГР) [11, 12]. Его ядро составляет группа из трех интернейронов: гигантского дофа-минергического нейрона Я.Ре.Б.1, пептидергической клетки и нейрона 1р.31, расположенного на вентральной поверхности ЦНС. Двигательные нейроны дыхательной сети входят в состав клеточных скоплений висцерального и париетального ганглиев: нейроны А-груп-пы, висцеральные Н-, I-, К-клет-ки (рис. 3 А, Б).
В структуре ЦГР дыхания роль полуцентров выполняют нейроны ^Б.4 и 1р.31. Электростимуляция первых приводит к возникновению возбуждающих постсинаптических потенциалов (ВПСП) в мотонейронах, которые иннервируют мышцы, закрывающие пневмостом, и одновременно с этим - к генерации тормозных постсинаптических потенциалов (ТПСП) в мотонейронах, которые обслуживают мышцы, открывающие пневмостом. Электрическое раздражение нейрона 1р31 приводит к противоположным эффектам. Помимо двух действующих начал (полуцентров) оно включает
звено, ответственное за запуск работы всего нейронного ансамбля. Усиление электрической активности Я.Ре.Б.1 приводит к возбуждению 1р.31 посредством срабатывания связанного тормозно-возбуж-дающего синапса. Будучи однажды активированным, 1р.31 в свою очередь возбуждает Я.Ре.Б.1, замыкая петлю положительной обратной связи. С нейроном нейрон Я.Ре.Б.1 находится в реципрок-ных тормозных отношениях. Электрическая стимуляция последнего вызывает появление ВПСП в мотонейронах, иннервирующих мышцы, сокращение которых вызывает закрытие пневмостома. Во время активности 1р31 передача возбуждения с Я.Ре.Б.1 на соответствующие мотонейроны блокируется за счет пресинаптического торможения.
Понимание основ нейронной организации дыхательной сети у Lymnaea stagnalis [13] дало возможность провести работы по изучению клеточных и субклеточных механизмов, определяющих реакцию нейронной сети при действии чрезвычайных раздражителей [14, 15], в ходе обучения [16, 17], возрастных изменений [18], нарушения функций дофаминергических путей мозга [19] и т.п. Это позволяет рекомендовать использование моллюска Lymnaгa stagnalis, в том числе его ЦНС, в качестве тест-объекта при оценке экологического состояния пресных вод; начальном скрининге фармакологических препаратов, обладающих потенциальной нейротропной активностью, особенно в отношении дофамин-и пептидергических клеток и синапсов; токсикологических исследованиях потенциальных органических и неорганических загрязнителей окружающей среды. Думается,
что такой подход к использованию обыкновенного прудовика в самом ближайшем времени найдет полноценное применение не только в научных центрах Европы, Северной Америки и Японии, но и в Беларуси.
В завершение хотелось бы подчеркнуть, что простые нервные системы беспозвоночных могут быть использованы не только в качестве модельных объектов, направленных на выявление клеточных и молекулярных механизмов межклеточной коммуникации и сигнализации. Точнее всего это положение сформулировал Дж. Николс на страницах его самого известного учебного руководства [20], ставшего настольной книгой не одного поколения нейрофизиологов во всем мире: «То, каким образом пиявка осуществляет плавательные движения, муравей ориентируется в пространстве, пчела «танцует», сверчок «поет» или мухи летают,- все это само по себе является удивительно интересной проблемой». ЕЗ
ЛИТЕРАТУРА
1. Bertivoglio M. Life and Discoveries of Camillo Golgi / M. Bertivoglio // The Official Web Site of The Nobel Foundation // http://www.nobe!. se/medicine/articles/goldgi/index.html.
2. Экклс Дж. Физиология синапсов.- М., 1966.
3. Loewi O. Uber humorale Ubertragbarkeit der Herznervenwirkung // Pflugers Arch. ges Physiol. 1921, Vol. 189. P. 239-242.
4. Furshpan E. J. Mechanism of nerve-impulse transmission at a crayfish / E. J. Furshpan, D. D. Potter // Nature. 1957, Vol. 180. P. 342-343.
5. Bennet M. Gap junctions as electrical synapses // J. Neurocytol. 1997, Vol. 26. P. 349-366.
6. Кэндел Э. Клеточные основы поведения.- М., 1980.
7. ArvanitakiA. Configuration modales de l'activité, propres à différents neurones d'un même centre / A. Arvanitaki, N. Chalazonitis // J. Physiol. (P.). 1958, Vol. 50. P. 122-125.
8. Mills J. The pond-snail brain - an answer to a neurophysiologist's prayer? / J. Mills, W. Winlow // J. Physiol. 1979, Vol. 290. P. 2P-3P.
9. Benjamin P. R. The distribution of three wide-acting synaptic inputs to identified neurones in the isolated brain of Lymnaea stagnalis (L.) / P. R. Benjamin, W. Winlow // Comp. Biochem. Physiol. 1981, Vol. 70A. P. 293-307.
10. Syed N. I. Respiratory behavior in the pond snail Lymnaea stagnalis. I. Behavioral analyses and the identification of motor neurones / N. I. Syed, D. Harrison, W. Winlow // J. Comp. Physiol. 1991, Vol. 169A. P. 541-555.
Полный список литературы размещен на сайте > http://innosfera.by/2018/06/nervous_systems
