CC BY
58
'С Боголепов Н.Н.. 1999 УДК 612.825:612.821.6
СИНАПСОАРХИТЕКТОНИКА КОРЫ БОЛЬШОГО МОЗГА В АСПЕКТЕ УСЛОВНО-РЕФЛЕКТОРНОЙ ТЕОРИИ И.П.ПАВЛОВА Н.Н.Боголепов
НИИ мозга Российской Академии медицинских наук, Москва
В коре большого мозга синапсоархитектоника не является стабильной структурой, но представляет собой динамическую систему. Пластичность межнейрональных связей складывается из изменений отдельных синапсов (в первую очередь количества и площади активных зон) и синапсоархитектоники в целом (за счет увеличения или уменьшения количества синапсов, их взаиморасположения, аксонального и дендритного спроутинга).
Введение
Проблема структурно-функцио-нальных механизмов интегративной деятельности головного мозга является одной из наиболее актуальных проблем в медицине и биологии.
Созданное И.П.Павловым стройное учение об условнорефлекторной деятельности мозга послужило основой, на которой развиваются современные исследования работы мозга.
Сформулированное П.К.Анохиным в 1935 году понятие «функциональная система» послужило новым этапом в изучении мозга.
Последующая разработка теории функциональных систем, развиваемая К.В. Судаковым и его учениками, позволила сформулировать теоретические представления о различных особенностях полезных для организма приспособительных результатов, формирующих соответствующие функциональные системы метаболического, гомеостатического, поведенческого, зоосоциального, социального и психического уровней [10, 11,12].
Важную роль в структурном формировании функциональных систем и условных рефлексов играет синапсоархи-тектоника коры большого мозга. Основываясь на полученных ранее собственных данных, а также на анализе литературы был сделан вывод о том, что синап-соархитектоника мозга не является раз и
навсегда зафиксированной структурой, но представляет собой динамическую систему, в которой постоянно протекают пластические изменения. Наиболее существенным является то, что идет постоянное образование новых межнейрональных контактов и в то же время часть межнейрональных контактов исчезает [2-5]. Пластичность межнейрональных связей в коре большого мозга была показана и в многочисленных работах других исследователей [13-16]. Пластические перестройки синапсоархитектоники являются одной из форм конформа-ционных структурных изменений в системах организма, что показано в теоретических трудах Д.С.Саркисова [8].
Исследование механизмов пластичности синапсоархитектоники в аспекте формирования структурных предпосылок для образования новых функциональных систем и посвящена настоящая работа. В пластических изменениях ’ синапсоархитектоники важную роль играет образование новых межнейрональных связей или увеличение функциональной значимости уже сформированных контактов. Для выяснения морфологических аспектов этого одной из наиболее адекватных моделей является изучение образования и созревания синапсов в онтогенезе.
Материалы и методы исследования
Материалом для исследования служила зрительная и сенсомоторная кора белых крыс. Исследовался мозг эмбрионов 18, 19 дней пренатального развития, новорожденного, 1, 4, 7, 14 дней постнатального развития и взрослой крысы. Функциональные изменения синапсо-архитектоники исследовались у крыс со зрительной депривацией, которые помещались в темную комнату сроком на 1 месяц. Функциональные нагрузки создавались дозированной двигательной тренировкой. Кусочки мозга для электронномикроскопического исследования приготовлялись по методу, принятому в НИИ мозга РАМН.
Срезы изготовлялись на ультратоме фирмы ЛКБ, просмотр и съемка - на электронном микроскопе Хитачи-Н-600.
Результаты и обсуждение
В результате проведенной работы было установлено, что в онтогенезе формирование ультраструктуры мозга идет двумя основными путями.
В первом случае синапсы при формировании проходят стадию десмосомо-видного контакта или предшествующую стадию специализации мембран; во втором случае формирование синаптических мембран и присоединение к ним синаптических пузырьков происходит одновременно.
В первом случае формирование синапса происходит следующим образом: сначала выявляется десмосомовидный контакт, который располагается между телами нервных клеток Или между отростками, затем к нему постепенно приближается со стороны одного из отростков один-два синаптических пузырька, которые, приходя в соприкосновение с клеточной мембраной, изменяют ультра-структуру контакта и десмосомовидное сочленение постепенно превращается в активную зону синапса с единичными синаптическими пузырьками у пресинап-тической мембраны. Нередко на микрофотографии можно наблюдать частичное
превращение десмосомовидного контакта в активную зону синапса, что является стадией реорганизации десмосомовидного контакта в незрелый синапс. В дальнейшем количество синаптических пузырьков в преси-наптическом отростке увеличивается, возникает закономерное расположение как непосредственно у пресинап--тической мембраны, так и вблизи от нее, т.е. происходит созревание контакта.
Во втором случае незрелый синапс формируется сразу, не проходя стадии десмосомы. При этом образуется «точечная» активная зона с од-ним-двумя синаптическими пузырьками у пресинаптической мембраны очень небольшой протяженности на поперечном срезе контакта. В дальнейшем происходит одновременное, взаимосвязанное увеличение площади активной зоны с количеством синаптических пузырьков в пресинаптиче-ском отростке.
Синапсы, которые формируются в онтогенезе, проходя стадию десмосомовидного контакта, образуются под влиянием генетических программ, в то время как синапсы, развивающиеся из «точечной» активной зоны, образуются под влиянием факторов индивидуального развития и средовых факторов.
Следует подчеркнуть, что и в мозгу взрослого животного пластические перестройки синапсоархитекто-ники происходят по типу образования «точечной» активной зоны.
Изменения ультраструктуры отдельных синапсов в зависимости от режима их функционирования тесно взаимосвязаны с пластичностью си-напсоархитектоники того или иного нервного центра. При этом прежде всего следует подчеркнуть, что реорганизация и динамические изменения синапсоархитектоники происходят в рамках структурной организации нервного центра и что количественные изменения синапсов невелики по сравнению с числом межнейрональ-
ных контактов в этом нервном центре.
Динамичность синапсоархитекто-ники коры большого мозга при функциональных нагрузках была показана как в работах, проведенных в нашей лаборатории, так и в работах целого ряда авторов. При длительной, физиологически адекватной нагрузке или систематической тренировке количество синапсов (в первую очередь, аксодендритных) несколько увеличивается. Это показано в опытах со световой стимуляцией в зрительной коре большого мозга и в опытах с двигательной тренировкой - в сенсомоторной области коры большого мозга. Однако количество синапсов в коре большого мозга может увеличиваться лишь на 2-10%, т.е. в сравнительно небольших пределах.
Наиболее пластичными являются синапсы на шипиках дендритов, что было показано еще в трудах С.А.Саркисова [9]. Рассматривая ультраструктуру шипиков и синапсов на них с точки зрения пластичности коры большого мозга, следует отметить, что они являются весьма адекватной моделью для того, чтобы показать роль пластичности протеинов и факторов роста в формировании структуры нейронов с их связями и их пластичности [17].
Следует подчеркнуть, что увеличение или уменьшение числа синапсов при функциональных нагрузках или функциональной депривации обычно изучалось при весьма сильных и длительных воздействиях. При функциональной адаптации, имеющей место в повседневных поведенческих реакциях, реорганизация синапсоархитектоники идет в рамках сохранения общего числа контактов и структурной организации афферентно-эфферентных взаимоотношений.
Важным является то, что динамические изменения межнейрональных связей происходят в рамках стабильного каркаса цитоархитектоники и нейронной организации.
Формирование стабильной клеточной организации, распределение основных стволов дендритов и аксонов афферентных входов, взаиморасположение и взаимосвязь нервных клеток в констелляциях, характерных для той или иной сб-
ласти коры большого мозга - все это определяется генетическими программами. И точно также большая часть межнейрональных связей является генетически предопределенной, образуя как бы синаптический каркас структурно-функциональных блоков нервных клеток в коре большого мозга. В рамках этого каркаса другая, значительно меньшая часть межнейрональных связей может изменяться в зависимости от функциональных влияний, выполняя адаптивные функции. При этом синапсы, включающиеся в пластические перестройки при тренировке, адаптации, обучении, участвуют в образовании новых и работе уже существующих функциональных систем [1, 10], необходимых для нормальной жизнедеятельности организма.
К механизмам пластичности отдельных межнейрональных контактов следует отнести, прежде всего, изменение количества и площади активных зон между контактирующими пре- и постсинаптическими отростками, количество синаптических пузырьков в пресинаптическом отростке и в непосредственной близости к пре-синаптической мембране, изменение формы контактирующих мембран (переход позитивных и негативных синапсов в плоские и т.д.); формирование перфорированных контактов.
Различные по локализации на нервных клетках синапсы имеют в большинстве своем различную площадь активных зон. Например, мелкие веточки аксонов и дендритов имеют контакты меньшей площади по сравнению с синапсами на крупных стволах дендритов; аксодендрит-ные синапсы имеют, как правило, более крупные по площади активные зоны по сравнению с аксосоматиче-скими синапсами. Синапсы, образованные аксоном «по ходу» (или касательные), обычно имеют небольшую протяженность активной зоны на поперечных срезах, в то время как концевые контакты образованы расши-
рением аксона и имеют большую активную зону. Следует при этом подчеркнуть, что в рамках этих общих закономерностей при усилении функционирования активные зоны увеличиваются и увеличивается число синапсов с «пунктирными» активными зонами. Это наблюдалось, например, в зрительной системе при световой стимуляции. При световой депривации наблюдалась противоположная картина. Однако изменения отдельных синапсов не меняют общей архитектоники межнейрональных связей и афферентно-эфферентных взаимоотношений в нервном центре.
Изменения синапсоархитектоники возникают и при формировании патологических систем [6]. Примером этого может быть формирование новых артифи-циальных связей в коре большого мозга при хронической морфинной интоксикации, что показано в эксперименте. В работе было показано: 1) суммарное увеличение количества синапсов в коре большого мозга; 2) определение особенности увеличения числа синапсов в различных слоях коры; 3) изменение распределения синапсов и баланса синапсов различного типа; 4) перераспределение различных форм синапсов, т.к. новообразование идет прежде всего за счет мелких аксо-дендритных синапсов. При этом новообразование синапсов на тонких разветвлениях сочетается с выраженными патологическими изменениями крупных стволов дендритов.
Следует подчеркнуть, что особенно значительно увеличивается число синапсов с «точечной» активной зоной и активной зоной небольшой протяженности.
Была высказана гипотеза о том, что именно это патологическое новообразование синапсов приводит к изменению синапсоархитектоники коры большого мозга в целом, нарушению замыкатель-ной функции и служит структурной основой формирования физической зависимости от наркотика [7]. Проведенное в нашей лаборатории исследование новообразований синапсов показало, что особенно значительно увеличивается число синапсов с «точечной» активной зоной и
активной зоной небольшой протяженности. Устойчивое достоверное увеличение количества межнейрональных связей является морфологической основой развернутой стадии морфинной наркомании и совпадает по времени с развитием физической зависимости.
Выводы
Таким образом, можно сделать общее заключение, что пластичность синапсоархитектоники складывается из пластичности отдельных межнейрональных контактов, рекомбинации изменений межнейрональных связей и тончайших разветвлений аксонов и дендритов, и, наконец, из реорганизации синапсоархитектоники с увеличением или уменьшением числа контактов при том, что основная масса синапсов, сложившаяся под влиянием генетических факторов и в процессе индивидуального развития, определяет стабильность структурно-функцио-нальной организации коры большого мозга.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. - М.: Медицина, 1975.
2. Боголепов H.H. Ультраструктура синапсов в норме и патологии. - М.: Медицина, 1975.
3. Боголепов H.H. Пластичность межнейрональных контактов в возрастном аспекте // Вестн. АМН СССР. - 1988. - № 11. - С. 35-38.
4. Боголепов H.H. Пластичность межнейрональных связей коры большого мозга // Морфология. - 1992. - Т. 102, № 2. - С. 48-63.
5. Боголепов H.H., Пушкин A.C. Структурные основы пластичности мозга // Вестн. АМН СССР. - 1978. - № 12. - С. 12-29.
6. Крыжановский Г.Н. Детерминантные структуры в патологии нервной системы. - М.: Медицина, 1980.
7. Морозов Г.В., Боголепов H.H. Морфинизм. -М.: Медицина, 1984.
8. Саркисов Д.С. Рекомбинационные преобразования как один из основных механизмов многообразия в явлениях природы // Рекомбинационные преобразования как один из механизмов качественных изменений в живых системах. - М.. 1994. - С. 2-36.
9. Саркисов С.А. Некоторые особенности строения нейрональных связей коры большого
мозга. - М.: Изд-во АМН СССР. 1948.
10. Судаков К. В. Общая теория функциональных систем. - М.: Медицина, 1987. - 432 с.
11. Судаков К. В. Функциональные системы организма в норме и патологии // Экспериментальная и прикладная радиология. - 1993. - Т. 2. - С. 17-33.
12. Судаков К.В. Теория функциональных систем. -М., 1996. - 95 с.
13. Cotman C.W., Gibbs R.G., Nieto-Sampedro М. Synaptia turnover in the central nervous system // The neural and molecular basis of learning. - Wileyi, 1987. -P. 375-398.
14. Fifkova E. Mechanism of synaptic plasticity // Neuroplasticity, Learning and Memory. - New-York, 1987.-P. 61-86.
15. Ivi G.Q. Decrreased neural plasticity in aging and certain pathological conditions: possible roles of protein turnover // Neural Plasticity a lifespan approach. -New-York, 1988. - P. 351-371.
16. Petit T.L. Synaptic plasticity and the structual ba-
sic of learning and memory // Neural Plasticity: a lifespan approach. -New-York, 1988. - P. 201-234.
17. Strittmatter S.M., Vartanian F., Fishman M.C. GAP-43 as a plasticity protein in neuronal form and repear // J. of neurobiology. - 1992. - V. 23, № 5. - P. 507-520.
THE SYNAPSEARCHITECTONICS OF CORTEX IN THE ACPECT OF PAVLOV’S THEORY OF ACQUIRED REFLEX
N.N.Bogolepov
The synapsearchitectonics of cortex is not a stable structure but a dynamic system.
The plasticity of intemeuron relations is formed by changes of separate synapses and synapsearchitectonics in general.
© Шульговский В.В., 1999 УДК612.821.2
И.П.ПАВЛОВ И СОВРЕМЕННАЯ ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ ВНИМАНИЯ В.В.Шульговский
Московский государственный университет им. М. Б.Ломоносова, Москва
Осуществление ориентировочной деятельности человека обеспечивается фронтальными и теменными полями коры. Ранние позитивные компоненты (Р1), представленные в латентном периоде саккады, отражают процессы двигательного программирования и активации исполнительных корковых структур. Ранний позитивный компонент (Р'1), развивающийся в межсти-мульном интервале, имеет смешанную природу и отражает как процессы перцептивного внимания, так и процессы предварительной активации глазодвигательных структур связанной с процессами вероятностного прогнозирования. Спайковый потенциал не является артефактом от разряда окуломоторных нейронов и экстроокулярных мышц, а отражает активность структур мозга, связанных с инициацией саккад.
В настоящее время в области исследования физиологии высшей нервной деятельности все более обширную область занимают исследования психических функций мозга человека (психофизиология). Эта область исследований применяет весь арсенал современных методов физиологической науки. Особенно успешно используются электро-физиологические методы исследований (регистрация ЭЭГ и вызванных потенциалов), усиленные современными компьютерными технологиями (математикой случайных процессов, картированием потенциалов головного мозга и другими). Ориентировочная деятельность организма всегда привлекала исследо-
вателей физиологии головного мозга. И.П.Павлов писал в «Двадцатилетием опыте» в главе «Рефлекс цели»: «Вся жизнь есть осуществление одной цели, именно, сохранения самой жизни, неустанная работа того, что называется общим инстинктом жизни. Этот общий инстинкт, или рефлекс жизни состоит из массы отдельных рефлексов... Я остановлюсь на двух из них как самых обыденных и вместе сильнейших, сопровождающих человеческую жизнь, как и всякого животного, с первого дня до последнего. Это пищевой и ориентировочный (или исследовательский) рефлексы» [2]. За ориентировочным рефлексом у человека всегда стоят ин-
