Особенности нервной регуляции

Комплекс нейро-гуморальной регуляции включает две взаимосвязанные и взаимодополняющие системы регуляции, имеющие специфичные назначения: эндокринную и нервную (рис. 1.1).

Система эндокринной регуляции предназначена для контроля и поддержания гомеостаза при постепенных и медленно осуществляющихся изменениях в условиях жизнедеятельности. В качестве посредников в эндокринной системе используются гормоны, продуцируемые железами внутренней секреции и функционирующие непосредственно во внутренней среде организма - в крови, лимфе, межклеточной жидкости. Относительно большой объем внутренней среды (у человека около 20 л, в том числе около 5 л крови) исключает возможность быстрых изменений содержания в ней гормонов, что и обуславливает сравнительно невысокие темпы регуляции - минуты, часы, дни и даже месяцы.

Система нервной регуляции (в отличие от эндокринной) предназначена для контроля и регуляции жизнедеятельности организма в критических ситуациях, когда неожиданно возникающие изменения во внешней либо во внутренней среде угрожают жизнеспособности организма или же нормальному функционированию различных его систем, органов, тканей и даже отдельных клеток,- то есть во всех тех случаях, когда требуется немедленная ответная реакция организма. Такая исключительно важная для организма мобильность системы нервной регуляции обеспечивается тем, что все структурные элементы нервной системы относительно обособлены от внутренней среды организма. Эта обособленность определена тем, что и центральный аппарат нервной регуляции (головной мозг, спинной мозг), и периферические нервные узлы, и нервные волокна, и отдельные нервные клетки (нейроны) защищены от вредоносных факторов внутренней среды организма специализированными невральными барьерами. Благодаря этому любая нервная клетка контактирует преимущественно с нервными же клетками; место контакта называется синапсом (рис. 1.2). Лишь в эфферентных нервных окончаниях осуществляется контакт нейронов с клетками тканей, органов и систем организма, деятельность которых они регулируют.

В головном и спинном мозге 60-80% всей нейрональной поверхности, включая сому, аксоны, дендриты занято синапсами. Каждый нейрон связан с тысячами других нейронов. Число возможных контактов в головном мозге человека не менее 10¹³-10¹⁴.

Компонентами нейрональных синапсов могут быть аксоны, сома, дендриты нервных клеток. Следовательно, выделяются аксонодендритные, аксоносоматические, аксоноаксональные и другие синапсы.

Эффективность контроля и регуляции жизнедеятельности со стороны нервной системы обусловлена тем, что ткани всех других систем организма пронизаны окончаниями нервных волокон, защищенных невральными барьерами. Одни из этих волокон (афферентные) обеспечивают прием информации о любых нарушениях гомеостаза в связи с действием факторов внешней и внутренней среды; общее число окончаний афферентных волокон в чувствительной (сенсорной) нервной системе человека составляет около 10 миллиардов.

Рис. 1.2. Схематическое изображение нейрона.

 

Периферические нервные волокна другого типа (эфферентные) предназначены для передачи ответной реакции организма в виде команд исполнительным органам. Именно в таком сочетании (информация - ответная команда) и проявляется принцип обратной связи в целях контроля и регуляции жизнедеятельности:

В связи с обособленностью от организма «собственной» внутренней среды нервной системы (межнейронные пространства), она занимает относительно малый объем. Например, размеры единичного межнейронного пространства не превышают 50x500x500 нм, то есть, объем синаптической «щели» составляет около (не более) 0,01 мкм³ (10^-17 л). Ясно, что используемые при межнейронной передаче хемотрансмиттеры – нейромедиаторы, нейромодуляторы и нейрогормоны функционируют в чрезвычайно ограниченном объеме.

Вероятность быстрого (мгновенного, скачкообразного) изменения концентрации трансмиттеров в области синапса настолько велика, что при межнейронных взаимодействиях легко обеспечиваются относительно высокие темпы передачи информации - секунды, доли секунд, даже до 10^-4 с.

Еще с большей скоростью осуществляется внутринейронная передача, которая реализуется биохемоэлектрическим путем в связи со способностью мембран нейронов к регулируемому изменению ионной проницаемости, что вызывает изменение электрохимического мембранного потенциала, который в принципе может принимать три значения, соответствующих трем разным физиологическим состояниям нейрона: "покою", "возбуждению", "торможению":

 

+ 80мВ----------------------------------- возбуждение

0 ----------------------------------------- покой

-40мВ------------------------------------ торможение

Состояние покоя эволюционно закреплено разностью солевого состава нейроноплазмы и внеклеточной среды, что иллюстрируется следующим содержанием типовых катионов и анионов [в мэкВ/л]:

	в нейроноплазме	во внутренней среде
Na^+
K^+
Са^++	Нет
Mg^++
Cl^-
HCO3^-
РО4^--
SO4^--

 

При рецепции медиатора имеет место стимулируемая структурная перестройка мембраны, сопровождающаяся включением механизма избирательной проницаемости ионов Na⁺, К⁺, Са⁺⁺ или Cl^-, что приводит к мгновенному изменению градиента концентрации катионов или анионов, вызывающему изменение электрохимического мембранного потенциала либо в сторону его снижения (мембрана деполяризуется), либо в сторону его увеличения (мембрана гиперполяризуется), например:

 

 

 

В частности, когда межнейронная передача осуществляется посредством медиаторов возбуждения, то медиатор-зависимый рецепторный мембранный блок перестраивается таким образом, что модулируется открытие натрий-ионных каналов. Этим обеспечивается пассивная диффузия ионов Na⁺ из внутренней среды организма в нейроноплазму (благодаря наличию градиента концентрации). В результате этого в месте межнейронной передачи (рецептора) резко падает электрохимический потенциал мембраны: на 50-110 мВ (в среднем на 80 мВ). Мембрана деполяризуется; возникает биохемоэлектрический импульс, распространяющийся затем вдоль нейрона в виде волны деполяризации, «гребни» которой формируются по аналогичному механизму - в результате открытия натрий-ионных каналов в перехватах Ранвье:

 

По иному развиваются процессы, когда межнейронная передача осуществляется посредством медиатора торможения (глицина, ГАМК, таурина). В этом случае медиатор-зависимый рецепторный мембранный блок перестраивается так, что модулируется открытие хлор-ионных каналов. Благодаря этому из внутренней среди организма в нейронаплазму реализуется пассивная диффузия ионов Cl^- (по градиенту концентрации) и в районе рецептора резко возрастает электрохимический потенциал мембраны: на 20-60 мВ (в среднем на 40 мВ). Мембрана гиперполяризуется и становится крайне трудно возбудимой. Если к такой гиперополяризованной мембране будет приложен «обычный» потенциал деполяризации (при модулировании натрий-ионной проницаемости), то мембрана преобразуется лишь в состояние, близкое к состоянию покоя, но не в состояние возбуждения:

 

 

Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) распространяется за пределы субсинаптической мембраны в виде потенциала действия. В нейроне потенциал действия распространяется по всей плазмолемме до следующего синапса, чтобы вновь вызвать синаптическую передачу. Тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП) наоборот снижает возможность возникновения потенциала действия.

Вся последовательность процессов, обеспечивающих синаптическую передачу с участием медиатора, занимает 0,2-0,3 мс (время синаптической задержки). Продолжительность всех электрических явлений на постсинаптическом уровне значительно больше: длительность потенциала действия 1-5 мс; ВПСП или ТПСП – 10-15 мс.

В связи со способностью нейронов к деполяризации и гиперполяризации условно выделяют два типа нейромедиаторов - возбуждающие и тормозные.

Нейромедиаторами (нейротрансмиттерами) называют нейроактивные вещества, высвобождающиеся в синапсах и вызывающие изменение ионной проводимости постсинаптической мембраны Совместно с нейромедиаторами в синаптическое пространство выделяются и нейромодуляторы - эндогенные физиологически активные вещества, модулирующие эффекты нейротрансмиттеров. Существует перечень определённых критериев, предъявляемых к нейромедиаторам:

- синтез и депонирование в пресинаптических нейронах, присутствие в высоких концентрациях в области пресинаптических окончаний;

- высвобождение в ответ на деполяризующие стимулы посредством Са²⁺ - зависимого механизма из депонирующих везикул;

- взаимодействие со специфическими рецепторами на постсинаптической мембране клетки-мишени;

- наличие в синаптической области специальных механизмов инактивации нейромедиатора (системы ферментативной деградации или обратного захвата);

- возможность блокировать или потенцировать эффекты нейромедиатора на клетку–мишень при помощи фармакологических препаратов.

В зависимости от преобразования синаптического сигнала все нейромедиаторы и их рецепторы принято делить на ионотропные и метаботропные (см. рис. 1.3). Ионотропные медиаторы взаимодействуют с постсинаптическими рецепторами и способствуют открыванию ионного канала. Ионотропный механизм передачи свойственен холинергическим (никотиновым), глициновым, глутаматным (НМДА), ГАМК_А – рецепторам. Метаботропные нейромедиаторы влияют на специфические мембранные ферменты, продуцирующие особые биологически активные вещества – вторичные мессенджеры (циклические аденазинмонофосфат и гуанозинмонофосфат, диацилглицерол и др.), которые осуществляют регуляцию внутриклеточных биохимических процессов (фосфорилирования, посредством протеинкиназ, и дефосфорилирования, посредством протеинофосфотаз, различных белков). Метаботропными рецепторами являются холинергические (мускариновые, адренергические, серотониновые, дофаминовые, опиатные, глютанатергические, ГАМК_В - рецепторы.

Совокупность нейронов, синтезирующих определённые биологически активные вещества (нейромедиаторы, нейромодуляторы, нейрогормоны), чувствительные к этим веществам структуры (пре-, постсинаптические рецепторы, системы вторичных мессенджеров), контакт между которыми имеет определённую функционально-морфологическую организацию (синапс) называется нейромедиаторной системой.

Основной тормозной нейромедиаторной системой является ГАМК-ергическая.

 

Рис. 1.3. Модели рецепторов.

а- модели функционирования рецепторов; рецепторы типа I (слева) имеют собственные эффекторные системы (так, например, в ионном канале она является жестко сцепленным интегральным компонентом трансмембранного белка); рецепторы типа II (справа) могут связываться с эффектором временно или косвенно; они состоят из нескольких белков, которые можно разделить биохимически;

б- предсказанные трансмембранные изгибы полипептидной цепи: рецепторы типа I имеют, вероятно, четыре трансмембранные последовательности, а рецепторы типа II – семь.