Опыт сеченова центральное торможение. Торможение центральной нервной системы
Явление центрального торможения было открыто И.М.Сеченовым в 1862 г. Он обнаружил, что если на поперечный разрез зрительных бугров лягушки наложить кристаллик поваренной соли или подействовать электрическим слабым током, то время рефлекса Тюрка резко удлиняется (рефлекс Тюрка - сгибание лапки при погружении ее у в кислоту). Вскоре были открыты новые факты, демонстрирующие явления торможения в ЦНС. Гольц показал, что рефлекс Тюрка затормаживается при сдавливании пинцетом другой лапки, Шеррингтон доказал наличие торможения рефлекторного сокращения разгибателя при осуществлении сгибательного рефлекса. Было доказано, что при этом интенсивность рефлекторного торможения зависит от соотношения силы возбуждающего и тормозящего раздражителей.
В центральной нервной системе существует несколько способов торможения, имеющих разную природу и разную локализацию. но в принципе основанных на одном механизме - увеличении разницы между критическим уровнем деполяризации и величиной мембранного потенциала нейронов.
1. Постсинаптическое торможение. Тормозные нейроны . В настоящее время установлено, что в ЦНС наряду с возбуждающими нейронами существуют и особые тормозные нейроны. Примером может служить т.н. клетка Реншоу в спинном мозге. Реншоу открыл, что аксоны мотонейронов перед выходом из спинного мозга дают одну или несколько коллатералей, которые заканчиваются на особых клетках, чьи аксоны образуют тормозные синапсы на мотонейронах данного сегмента. Благодаря этому возбуждение, возникающее в мотонейроне, по прямому пути распространяется на периферию к скелетной мышце, а по коллатерали активирует тормозную клетку, которая подавляет дальнейшее возбуждение мотонейрона. Это механизм, автоматически охраняющий нервные клетки от чрезмерного возбуждения. Торможение, осуществляющееся при участии клеток Реншоу, получило название возвратного постсинаптического торможения. Тормозным медиатором у клетки Реншоу является глицин.
Нервные импульсы, возникающее при возбуждении тормозящих нейронов, не отличаются от потенциалов действия обычных возбуждающих нейронов. Однако в нервных окончаниях тормозящих нейронов под влиянием этого импульса выделяется медиатор, который не деполяризует, а, наоборот, гиперполяризует постсинаптическую мембрану. Эта гиперполяризация регистрируется в форме тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП) - электроположительной волны. ТПСП ослабляет возбудительный потенциал и препятствует тем самым достижению критического уровня деполяризации мембраны, необходимого для возникновения распространяющегося возбуждения. Постсинаптическое торможение можно устранить стрихнином, который блокирует тормозные синапсы.
2.Посттетаническое торможение . Особым видом торможения является такое, которое возникает в случае, если после окончания возбуждения в клетке возникает сильная гиперполяризация мембраны. Возбуждающий постсинаптический потенциал в этих условиях оказывается недостаточным для критической деполяризации мембраны, и генерации распространяющегося возбуждения. Причина такого торможения в том, что следовые потенциалы способны к суммации, и после серии частых импульсов возникает суммация положительного следового потенциала.
3.Пессимальное торможение . Торможение деятельности нервной клетки может осуществляться и без участия особых тормозных структур. В этом случае оно возникает в возбуждающих синапсах в результате сильной деполяризации постсинаптической мембраны под влиянием слишком частых импульсов (как пессимум в нервно-мышечном препарате). К пессимальному торможению особо склонны промежуточные нейроны спинного мозга, нейроны ретикулярной формации. При стойкой деполяризации в них наступает состояние, подобное катодической депрессии Вериго.
4.Пресинаптическое торможение . Оно открыто в ЦНС сравнительно недавно, поэтому изучено меньше. Пресинаптическое торможение локализуется в пресинаптических терминалях перед синаптической бляшкой. На пресинаптических терминалях располагаются окончания аксонов других нервных клеток, образующих здесь аксо-аксональные синапсы. Медиаторы их деполяризуют мембрану терминалей и приводят в состояние, подобное катодической депрессии Вериго. Это обусловливает частичную или полную блокаду проведения по нервным волокнам возбуждающих импульсов, идущих к нервным окончаниям. Пресинаптическое торможение обычно длительное.
Животное
Лягушка. Скорее всего, это был вид Rana temporaria или Rana esculenta: они наиболее распространены в Центральной России.
Белая Дама. В день ключевого эксперимента физиолог Иван Сеченов как раз слушал оперу Буальдье «Белая дама».
Вклад в науку
Открытие эффекта центрального торможения в нервной системе.
Человек
«Я лягушку распластаю да посмотрю, что у нее там внутри делается; а так как мы с тобой те же лягушки, только что на ногах ходим, я и буду знать, что и у нас внутри делается…» - это слова хрестоматийного нигилиста Базарова из «Отцов и детей» Тургенева.
Знаменитый физиолог Иван Сеченов был почти нигилистом: дружил с оппозиционерами, конфликтовал с властями и, конечно же, резал лягушек. Недаром некоторые исследователи считают, что он был одним из прототипов Базарова.
Эксперимент
Опыт, проведенный в 1862 году, выглядел страшновато. Лягушка подвешена за челюсть на специальном штативе, ее череп вскрыт, задние лапки макают в сосуд с серной кислотой. Рядом стоит ученый с секундомером в руках. Именно так был открыт эффект, вошедший во все учебники как «сеченовское торможение».
Оказалось, что если на зрительные бугорки мозга лягушки положить кусочек соли, то скорость рефлекторного отдергивания лапки будет ниже. Главный вывод: работа центральной нервной системы складывается из двух процессов - возбуждения и торможения. Проживи Сеченов подольше, то, вполне вероятно, получил бы Нобелевку.
Дальнейшая судьба животного
Естественно, лягушки после таких опытов не выживали.
02. Лампочка вместо колбасы
Животное
Собака (Canis lupus familiaris).
«Госпожа собака, гениальная собака».
Вклад в науку
Открытие условного рефлекса.
Человек
Иван Павлов, физиолог, нобелевский лауреат. Долгое время был иконой советской науки, хотя сам он к советской власти относился с изрядной долей скепсиса.
Эксперимент
Любой школьник знает, что Волга впадает в Каспийское море, Онегин с Печориным - лишние люди, а условный рефлекс открыли Иван Павлов и его собаки. Детали эксперимента знают все: зажигается лампочка - появляется еда - у собаки вырабатывается желудочный сок, потом из этой схемы убирают колбасу, и желудочный сок начинает выделяться просто от вида лампочки.
В опытах участвовали сотни собак. Животных, опыты над которыми оказывались наиболее удачными, академик называл «госпожа собака» или «гениальная собака».
Дальнейшая судьба животного
Некоторые собаки погибали во время эксперимента. Выжившие содержались в лаборатории или на даче у друзей знаменитого физиолога. Собаки Павлова стяжали наибольшую славу среди всех подопытных животных: чучело в музее Павлова в Рязани, памятник академику с собакой в Колтушах, почти такой же - в Сухуми, памятник-фонтан в Петербурге и так далее. Образ стал настолько избитым, что породил анекдоты: «В детстве физиолога Павлова укусила собака. Собачка укусила и забыла, а Павлов вырос - и не забыл…»
03. Обезьяна Иони и мальчик Руди
Животное
Шимпанзе (Pan troglodytes).
Вклад в науку
Впервые было проведено сравнение психики обезьяны и ребенка.
Человек
Странно, что про Надежду Ладыгину-Котс до сих пор не сняли научно-романтический фильм. Получилось бы не хуже «Доктора Дулиттла». В 1911 году Надежда Ладыгина вышла замуж за Александра Котса. Говорят, в качестве свадебного подарка жених преподнес ей чучело белого ястреба, а она ему - чучело львенка. Вместе они создавали музей, закупая по всему миру «засоленных гиен» и «замороженных питонов». Сплошная зоологическая сказка. Главное, что со счастливым концом: Ладыгина-Котс дожила до 1963 года, имела степень доктора биологических наук и прочие регалии. А основанный ею с мужем Дарвиновский музей процветает и в наши дни.
Эксперимент
В 1913 году Ладыгина-Котс приобрела полуторагодовалого шимпанзе по кличке Иони. Почти три года он прожил в ее квартире фактически на правах сына. А в 1925 году у Надежды Ладыгиной-Котс появился настоящий ребенок - Рудольф (Руди). На основе наблюдений за Иони и Руди она написала книгу «Дитя шимпанзе и дитя человека» - первое в мире сравнительное описание психики обезьяны и гомо сапиенс.
Хотя главный вывод исследования гласит: «…шимпанзе не почти человек, а совсем не человек», при чтении книги возникает ощущение, что речь там в обоих случаях идет о людях. «И вот если, например, он уложен в кровать, а я ухожу из комнаты и он остается один, он тотчас же вылезает из кровати при моем уходе, не желая ложиться…»
Впрочем, несмотря на почти материнские чувства, которые питала к Иони его хозяйка, она не теряла научной объективности: «По функциям своих органов чувств, тонкости и остроте их развития дитя шимпанзе превосходит зрелого человека, находящегося в полном расцвете своих жизненных сил…По своим творческим, конструктивным играм шимпанзе уже отстает от сверстника-человека и может быть сравнен с дитятей от 1 до 1½ лет… По способу общения языком жестов и телодвижений дитя шимпанзе сопоставимо с ребенком от 9 месяцев до 1½ лет…»
Дальнейшая судьба животного
В годы войны шимпанзе не удавалось обеспечить нормальной едой, Иони умер в 1916 году от инфекции.
04. Кто первый полетел в космос
Животное
Собаки. Для полетов отбирали дворняг - как самых смышленых и выносливых. Предпочтение отдавалось самкам (так было проще разработать систему туалета), имевшим светлый окрас (они лучше смотрелись при теле- и фотосъемке).
Имена
Дезик, Цыган, Лиса, Бульба, Мишка, Чижик, ЗИБ («Запасной исчезнувшего Бобика»), Смелый, Непутевый, Дамка, Рита, Линда, Малышка, Кнопка, Мильда, Козявка, Альбина, Джойна, Белка, Модница, Пальма, Пушок, Кусачка, Пестрая, Белянка, Жульба, Снежинка, Жемчужина, Малек, Лисичка, Чайка, Пчелка, Мушка, Чернушка, Звездочка, Ветерок, Уголек и др.
Вклад в науку
Доказана возможность полета живого существа в космос.
Люди
Космическими полетами собак занималась команда ученых и инженеров во главе с академиком Сергеем Королевым.
Эксперимент
Нельзя сказать, какая именно из собак стала «самым главным космонавтом». Первыми на геофизической ракете отправились в небо Дезик и Цыган в 1951 году. Это был не совсем космический полет: его высота составила около 100 километров (нижняя граница космоса). Зато обе собаки успешно вернулись на Землю.
Лиса и Рыжик стали первыми живыми существами, которые покинули ракету в скафандрах на высоте больше 70 километров. В настоящий космос - на высоту 212 километров - первыми полетели в мае 1957 года дворняги Рыжая и Дамка.
Первым животным, выведенным на орбиту Земли, стала в ноябре того же 1957 года Лайка - она погибла через 5–7 часов после старта. Заслуга знаменитых Белки и Стрелки состоит в том, что они сумели не только попасть на орбиту, но и вернуться живыми.
Дальнейшая судьба животных
Часть собак не выдержали полета. От удушья погибли Мишка и Чижик, из-за технических неполадок - Лиса и Бульба, от разгерметизации кабины - Рыжая и Джойна, Пальма и Пушок.
У выживших собак биографии складывались по-разному. Одни оставались жить при Институте авиационной и космической медицины, другие отправлялись на дачи генералов и академиков, третьи убегали и становились уличными псами. Собак водили показывать детям в сады и школы. Одного из щенков Стрелки Хрущев подарил Жаклин Кеннеди.
05. Две головы и одно сердце
Животное
Собаки (овчарки, дворняги и др.).
Гришка, Борзая и др.
Вклад в науку
Разработаны методы трансплантации органов.
Человек
Советского врача и ученого Владимира Демихова можно назвать отцом мировой трансплантологии. Еще в 1937 году, будучи студентом-третьекурсником, он сконструировал первое в мире искусственное сердце и вживил его собаке. Именно Демихов первым провел пересадку печени, первым пересадил комплекс сердце - легкие; написал первую монографию по трансплантологии, которую тут же перевели на английский, немецкий, испанский… Он много чего сделал первым в мире.
Рассказывают, что когда знаменитый кардиохирург Майкл Дебейки в 1996 году прилетел в Москву оперировать Ельцина, то первым делом он спросил: «Могу ли я поклониться академику Демихову?» Но встречающие не знали толком, где искать этого Демихова и жив ли он вообще. Владимир Петрович на тот момент жил у себя на даче в полной безвестности. Никакого титула академика или профессора у него не было. Несмотря на мировое признание, отношения с научным начальством у него не складывались. Ему не давали полноценной лаборатории, блокировали защиту диссертации, фактически выгнали из института, где он проводил свои опыты.
Эксперимент
В 1954 году Демихов пересадил голову, плечи и передние лапы щенка на шею взрослой немецкой овчарки. Животным соединили кровеносные сосуды, создали общий круг кровообращения. У маленькой собаки, кроме того, были удалены сердце и легкие, так что она жила за счет дыхания и кровообращения большой собаки. На кинопленку был заснят момент, когда обе головы собаки одновременно лакали молоко из миски. Потом они играли, голова большой собаки все время пыталась цапнуть трансплантированного щенка за ухо.
Дальнейшая судьба животных
Выхаживать прооперированных псов приходилось в одной из комнат коммунальной квартиры Демиховых, поскольку полноценной лаборатории ему так и не дали. Обычно собаки после эксперимента жили не дольше месяца, причиной смерти становилось отторжение чужеродных тканей. Но в 1962 году пес Гришка сумел прожить с двумя сердцами почти пять месяцев. Погиб он в результате идиотской случайности: пьяный больничный плотник забрался в операционную, Гришка его облаял, а плотник в ответ ударил его в область пересаженного сердца.
06. Нобелевская лягушка
Животное
Если Сеченов и прочие нигилисты XIX века резали прудовых и травяных лягушек, то сто лет спустя был выбран другой вид - южноафриканская когтистая (Xenopus). В отличие от сородичей, она довольно быстро достигает половой зрелости и способна откладывать икру в любое время года.
Неизвестно.
Вклад в науку
Из обычной (неполовой) клетки удалось вырастить полноценное существо.
Человек
Сэр Джон Гардон, лауреат Нобелевской премии 2012 года.
Эксперимент
В 1962 году Гардон заменил ядро из яйцеклетки лягушки на ядро из клетки ее кишечника. В итоге родились полноценные головастики.
Дальнейшая судьба животного
Что стало с лягушкой, неизвестно. Но Гардон свою Нобелевку получил.
07. Пульт управления быком
Животное
Боевой бык (Bos taurus).
Имя Лусеро.
Вклад в науку Показана возможность контролировать работу мозга с помощью электронного устройства.
Человек
Хосе Дельгадо, испанец, во время гражданской войны служил врачом в армии республиканцев. Позднее переехал в США, где вскоре стал звездой в области нейрофизиологии. Воздействуя электродами на определенные участки мозга, он пытался лечить эпилепсию, слепоту, болезнь Паркинсона, паралич и другие заболевания. Общественность реагировала нервно. Некоторые журналисты обвинили Дельгадо в том, что он участвует в секретных опытах ЦРУ по управлению сознанием. Какая-то женщина подала на него в суд, поскольку тот якобы вживил ей тайно в голову чип. Как в случае с Демиховым и многими другими учеными, Дельгадо дожил до нашего времени (он умер осенью 2011-го), пребывая в относительной безвестности. Хотя многие его идеи активно используются в современной медицинской практике.
Эксперимент
Середина 60-х. Ферма в испанской провинции Кордова. На арене бык по кличке Лусеро весом в четверть тонны. Сначала он пытается атаковать матадора, тот уворачивается. Потом на поле появляется человек в белом халате, который нажимает на кнопку пульта. И тут же боевой бык начинает вести себя как испуганный щенок - отскакивает в сторону и прижимается к ограде арены.
Человеком в белом халате был Хосе Дельгадо, который перед этим вживил в голову быку специальный чип - стимосивер (от stimulation receiver - стимулирующий приемник радиосигналов). Этот чип воздействовал на определенные зоны мозга животного и подавлял его агрессию.
Дальнейшая судьба животного
Неизвестна. Не исключено, что Лючеро продолжал участвовать в корриде, поскольку вживление чипа может обходиться без последствий.
08. Самый знаменитый клон
Животное
Овца (Ovis aries).
Долли. Изначально клонированная овца имела лишь номер - 6LL3. Но потом было решено дать ей нормальное имя. По одной из версий, ее назвали в часть певицы Долли Партон, которая любила хвастаться своим крупным бюстом (а клетки для клонирования были взяты из вымени).
Вклад в науку
Впервые удалось клонировать млекопитающее из взрослой неполовой клетки.
Люди
«Отцами» овечки Долли были два шотландских биолога: Ян Вилмут и недавно скончавшийся Кейт Кэмпбелл.
Эксперимент
Задача была такая: ядро клетки молочной железы взрослой овцы поместить в яйцеклетку другой овцы и подсадить эту конструкцию суррогатной матери. Было сделано 226 попыток. Все неудачные. Лишь на 227-м эксперименте удалось получить полноценную овечку. Это случилось 5 июля 1996 года.
Жизнь после эксперимента
Клонированная овца стала медийной персоной, популярности которой могли позавидовать многие поп-звезды. Она прожила шесть с половиной лет и родила шестерых ягнят. Чучело Долли выставлено в Королевском музее Шотландии.
09. Поговорить с гориллой
Животное Горилла (Gorilla).
Вклад в науку
Показана способность приматов к речи и мышлению.
Человек
Американский психолог Пенни Паттерсон.
Эксперимент
Научить обезьян говорить пытались неоднократно. Наиболее удачными оказались опыты с шимпанзе Уошо и бонобо (карликовый шимпанзе) Канзи, которые освоили сотни слов на языке глухонемых - произносить членораздельные слова обезьяны не способны чисто анатомически. Менее успешным был эксперимент с шимпанзе по кличке Ним Чимпски, которую он получил в честь знаменитого лингвиста Ноама Хомского.
Но самой знаменитой из ныне живущих обезьян является горилла Коко. Психолог Пенни Паттерсон взяла ее из зоопарка Сан-Франциско. Тогда Коко была мелкой, худой и болезненной обезьянкой - сейчас это здоровенное животное, вполне себе добродушное, которое может показать более 1000 слов и более 2000 слов - понять. Коко умеет рассказывать о своих чувствах, рассуждать об отвлеченных предметах, может даже пошутить, причем довольно остроумно.
Жизнь после эксперимента
Эксперимент не закончен. На сайте koko.org постоянно появляются новости о жизни самой умной гориллы в мире.
10. Что делает мозг во сне
Животное
Кошка (Felis silvestris catus).
Кошка номер десять, кошка номер одиннадцать и т. д. «Я имена им не даю. Все-таки провожу с ними эксперименты, и должна быть какая-то дистанция. Просто кошка номер одиннадцать. Но вообще я ее очень люблю. И она меня тоже», - объясняет нейрофизиолог Иван Пигарев.
Вклад в науку
Предложен новый вариант объяснения функции сна.
Человек
Иван Пигарев, ведущий научный сотрудник Института проблем передачи информации РАН. Колоритный профессор с окладистой бородой, способный своими руками создать любой прибор.
Эксперимент
Наука до сих пор не может дать исчерпывающий ответ на простой вопрос: «Для чего мы спим?» Еще в молодости Пигарев предположил, что во время сна мозг обрабатывает сигналы, поступающие от внутренних органов. Например, те зоны мозга, которые во время бодрствования отвечают за зрение, во время медленного сна обрабатывают сигналы, идущие от желудка и кишечника. Так обеспечивается слаженная работа всего организма. Эта идея считалась еретической, и Пигарев переключился на физиологию зрения, добившись в этой области мирового признания. Но гипотеза о назначении сна не давала ему покоя. И в итоге он все-таки решился ее проверить.
«Первые же эксперименты показали, что в период сна нейроны зрительной коры действительно начинают реагировать на стимуляцию органов пищеварения», - говорил Пигарев в одном из своих докладов.
Жизнь после эксперимента
Эксперименты проводятся лет пять, после чего животное отправляется жить к знакомым Пигарева, превращаясь из «кошки номер десять» в Мурку или Пушка.
И.М. Сеченов писал: «Угнетение рефлексов при раздражении зрительных чертогов соответствует возбужденному состоянию заключенных в них механизмов… Эти механизмы, другими словами, задерживают рефлексы. Пути для распространения этого вида угнетения рефлексов по спинному мозгу лежат в передних частях последнего».
Следует отметить важное обстоятельство экспериментов И.М. Сеченова, а именно: рефлексы, использованные И.М. Сеченовым в опыта, были ноцицептивными.
По Сеченову, торможение рефлекторной деятельности возникает обязательно после предварительного возбуждения каких-то механизмов в зрительных чертогах, к которым приложена соль, и, следовательно, только это первичное возбуждение приводит к конечному тормозящему эффекту в виде прекращения деятельности, выражающейся в прекращении движений в ответ на ноцицептивное раздражение нижних конечностей. По современным представлениям, И.М. Сеченов изучал торможение у лягушки, вызываемое раздражением ретикулярной формации ствола мозга.
И.М. Сеченов возражал против понимания торможения в ЦНС как утомления, вследствие перевозбуждения нервных структур. Он писал: «Угнетение рефлексов есть продукт возбуждения, а не перевозбуждения каких-либо нервных механизмов. Это доказывается тем, что эффект развивается в первые мгновения по приложении раздражения, прежде чем появляются движения. Кроме того, с разрезов зрительных чертогов раздражение дает всегда рядом с угнетением рефлексов диастолическую остановку кровяного сердца, то есть явственно возбуждает продолговатый мозг».
Результаты экспериментов И.М. Сеченова и наших исследований некоторых эффекторных проявлений действия кетамина указывают на общность физиологических механизмов, приводящих к торможению рефлекторной деятельности при раздражении «зрительных чертогов» у лягушки и при анестезии кетамином.
Действительно, анализ электроэнцефалограмм выявил свойственное кетамину активное, деятельное состояние головного мозга, которое по современным представлениям связывают с возбужденным состоянием ретикулярной формации ствола мозга, что соответствует возбуждению тех же структур солью в экспериментах И.М. Сеченова.
Раздражение (возбуждение) зрительных бугров лягушки по методике И.М. Сеченова приводит к возбуждению мотонейронов мышц-разгибателей нижних конечностей - и, следовательно, увеличению амплитуды моносинаптического рефлекса, - что вызывает тоническое сокращение мыш- разгибателей с одновременным торможением сгибательных рефлексов на ноцицептивное раздражение. Увеличение возбудимости спинальных мотонейронов мышц-разгибателей, выявленное по увеличению амплитуды рефлекса Гоффманна с одновременным торможением рефлексов на ноцицептивное раздражение, было найдено и при наркозе кетамином.
О локализации самого процесса торможения в системе целостного рефлекторного аппарата И.М. Сеченов писал: «По отношению ко всей проблеме задерживания отраженных движений…никоим образом нельзя искать основу угнетения рефлексов, наступающего в результате раздражения мозга, в изменениях двигательного аппарата… задерживание отраженных движений осуществляется в центральных образованиях рефлекторного аппарата».
Результаты нашего исследования возбудимости спинальных мотонейронов при наркозе кетамином (методика Н-рефлекса) показали, что в отличие от достоверного увеличения амплитуды рефлекторного Н-ответа, величина прямого (периферического) М-ответа не изменялась. Это дает основание считать, что отмеченные изменения Н- и М- ответов при анестезии кетамином не связаны с действием кетамина непосредственно в нервно-мышечном синапсе, а обусловлены изменениями возбудимости центров иннервации мышц.
Найденные изменения центральной гемодинамики и тонуса сосудов при анестезии кетамином указывают на возбуждение кардиовазомоторных образований ретикулярной формации продолговатого мозга, как на общий источник системы возбуждений.
Проведенное сравнение эффекторных проявлений анестезии кетамином с эффекторными проявлениями процесса центрального торможения по И.М. Сеченову вполне определенно указывают на их тождество , которое, по нашему мнению, определяется тождеством нейрофизиологических механизмов.
И. М. Сеченов (1862) открыл торможение в центральной нервной системе. Он показал, что при раздражении области зрительных чертогов лягушки происходит торможение моторных спинномозговых рефлексов, так как весьма значительно увеличивается их латентный период. Явление центрального торможения было подтверждено учениками И. М. Сеченова и на животных с постоянной тела (Л. Н. Симонов, 1866). Головной мозг не только тормозит спинномозговые рефлексы, но при определенных условиях усиливает их (И. Г. Березин, 1866, В. В. Пашутин, 1866).
Значение открытия центрального торможения для дальнейшего развития физиологии
И. М. Сеченов впервые доказал влияние ретикулярной формации мозгового ствола на спинной мозг. Открытие И. М. Сеченова явилось отправным пунктом для работ школы И. П. Павлова по изучению закономерностей взаимоотношения возбуждения и торможения в головном мозге и работ школы Н. Е. Введенского по изучению природы торможения и единства возбуждения и торможения.
Во всех видах центрального торможения, вызываемого импульсами, поступающими по афферентным волокнам, и осуществляемого эфферентными импульсами по пирамидным путям, участвуют вставочные . Различают первичное торможение, вызванное активацией тормозных синапсов и возникающее без предварительного возбуждения, и вторичное торможение, как результат предшествовавшего возбуждения.
К первичному торможению относятся постсинаптическое, включающее возвратное торможение моторных нейронов клетками Реншоу, и пресинаптическое. К вторичному торможению относятся индукционное торможение после возбуждения при реципрокной иннервации и пессимальное торможение Н. Е. Введенского, не обнаруженное в центральной нервной системе в норме.
1. Постсинаптическое торможение, при котором возникают тормозные постсинаптические потенциалы (ТПСП) в тормозных синапсах 2-го типа. В спинном мозге ТПСП появляются в моторных нейронах и нейронах Реншоу при определенных условиях притока афферентных импульсов, в головном мозге - корзинчатых и других тормозных нейронах. В спинном мозге латентный период ТПСП 0,3 мс, они достигают максимума через 0,8 мс и продолжаются около 2.5 мс. В нейронах головного мозга они продолжаются значительно дольше, 100-200 мс. Частота разряда ТПСП до 1000 имп/с. Они также суммируются в пространстве и во времени, как и ВПСП ТПСП — почти зеркальное отражение ВПСП (ТПСП противодействует ВПСП, препятствует возникающей деполяризации, так как при ТПСП возникает гиперполяризация постсинаптической мембраны. Когда раздражение афферентного нерва, вызывающее торможение и появление ТПСП, предшествует ВПСП, то последний подавляется. При действии тормозного раздражителя во время проведения импульсов ВПСП они становятся реже или исчезают. Результат торможения зависит от соотношения амплитуд ВПСП и ТПСП и количества участвующих возбуждающих и тормозных синапсов.
У млекопитающих гиперполяризация постсинаптической мембраны при ТПСП превышает потенциал покоя на 5-10 мв, а у амфибий на 10-20 мв. Гиперполяризация мембраны вызывается тормозным медиатором, повышающим ее электропроводимость почти в 10 раз. При торможении ионы Na не проходят через мембрану, они не участвуют в появлении ТПСП, которое вызывается резким увеличением проницаемости мембраны в особых тормозных зонах для ионов Сl и К. При действии тормозного медиатора в тормозных зонах мембраны образуются мельчайшие поры, пропускающие только маленькие гидратированные ионы Сl и не пропускающие большие ионы. Ионы Сl согласно электрохимическому градиенту движутся внутрь клетки, их концентрация внутри клетки возрастает («хлорный насос»), что вызывает гиперполяризацию. Выход ионов К наружу согласно электрохимическому градиенту имеет меньше значения для возникновения гиперполяризации, так как может достичь увеличения только не более половины проницаемости к ионам Сl. Повышение концентрации Сl внутри клетки, вызывающее гиперполяризацию, может по достижении критического уровня вызвать обратное движение этих ионов, что приведет к деполяризации.
Ацетилхолин, выделяемый в тормозных синапсах при поступлении импульсов по блуждающим нервам, тормозит деятельность сердца позвоночных. Импульсы, поступающие по блуждающим нервам, гиперполяризуют. Торможение сердечных сокращений обусловлено резким повышением проницаемости мембраны миокарда для ионов К. В венозном синусе лягушки ацетилхолин также вызывает увеличение проницаемости мембраны для ионов К, а проницаемость для ионов Сl изменяется незначительно. Увеличение проницаемости мембраны для ионов К объясняет повышение ее электропроводимости. Ацетилхолин - тормозной медиатор многих синапсов .
Норадреналин - тормозной медиатор для многих гладких мышц и нейронов симпатических узлов. Раздражение нервных сплетений в стенке пищеварительного канала вызывает гиперполяризующие ТПСП и тормозит спонтанные сокращения гладкой мускулатуры.
Торможение синапсов вызывает у-аминомасляная , которая образуется из глютаминовой кислоты в головном мозге, По своему химическому составу она близка к особому медиатору торможения, вызывающему гиперполяризацию постсинаптических мембран. у-аминомасляная кислота подавляет проведение нервных импульсов, непосредственно действуя на нейроны, не вызывая гиперполяризации. Однако механизм ее действия отличается от действия ацетилхолина. Эта кислота синтезируется при участии витамина B 6 .
У ракообразных нервные тормозные импульсы и у-аминомасляная кислота увеличивают проницаемость постсинаптической мембраны к ионам Сl. У них аксон в тысячу раз менее чувствителен к этой кислоте, чем тела нейронов и основания дендритов, где расположены тормозные синапсы.
В центральной нервной системе и пищеварительном канале обнаружено также белковое вещество Р (полипептид), которое, возможно, является медиатором. Оно действует успокаивающе.
2. Пресинаптическое торможение, возникающее в тончайших разветвлениях (терминалях) афферентных нервных волокон до их перехода в нервное окончание.
На этих терминалях заканчиваются волокна тормозных нейронов, образующих тормозные синапсы.
В пресинаптическом торможении участвует не меньше двух вставочных тормозных нейронов, поэтому оно продолжительнее и эффективнее постсинаптического.
При пресинаптическом торможении проницаемость постсинаптической мембраны не изменяется и, следовательно, не изменяется возбудимость моторных нейронов. Уменьшение ВПСП и торможение рефлекторных разрядов в моторных нейронах зависит от уменьшения импульсов возбуждения, поступающих к ним по афферентным волокнам из рецепторов мышц. Это происходит в результате первичной афферентной деполяризации (ПАД) афферентных терминалей, на которых оканчиваются синапсы тормозных вставочных нейронов, в отличие от нейронов Реншоу, синапсы которых заканчиваются на теле моторного нейрона. ПАД вызывается длительным действием медиатора, который отличается от медиатора постсинаптического торможения. Образующийся в синапсах тормозных нейронов медиатор деполяризует мембрану аксонов и вызывает в пей состояние, подобное католической депрессии Вериго. Деполяризация афферентных терминалей тормозит выделение медиатора, вызывающего ВПСП в возбуждающих синапсах моторных нейронов. Деполяризация пресинаптических волокон тормозит передачу импульсов с них на моторные нейроны. Пресинаптическое торможение широко распространено в центральной нервной системе млекопитающих, например в коре головного мозга оно преобладает над постсинаптическим в большинстве возбуждающих нейронов первичных афферентных волокон. Пресинаптическое торможение выполняет роль обратной отрицательной связи, действующей на приток чувствительных афферентных импульсов в центральную нервную систему.
3. Пессимальное торможение Н. Е. Введенского, возникающее во вставочных нейронах и в ретикулярной формации.
Вероятно, снижение амплитуды ВПСП при чрезмерно частых ритмических раздражениях (пессимум частоты) вызвано уменьшением амплитуды биопотенциалов, поступающих в пресинаптические окончания, так как даже относительно очень небольшая, пресинаптическая деполяризация резко снижает выделение медиатора в возбуждающих синапсах, а следовательно, и амплитуду ВПСП.
4. Торможение после возбуждения, появляющееся при сильной следовой гиперполяризации мембраны нейрона.
Механизмы торможения проявляются в прекращении или уменьшении активности нервных клеток. В отличие от возбуждения торможение - локальный нераспространяющийся процесс, возникающий на клеточной мембране.
Сеченовское торможение. Наличие процесса торможения в ЦНС впервые было показано Сеченовым в 1862 г. в экспериментах на лягушке. Выполняли разрез головного мозга лягушки на уровне зрительных бугров и измеряли время рефлекса отдергивания задней лапы при погружении ее в раствор серной кислоты (метод Тюрка). При наложении на разрез зрительных бугров кристаллика поваренной соли время рефлекса увеличивалось. Прекращение воздействия соли на зрительные бугры приводило к восстановлению исходного времени рефлекторной реакции. Рефлекс отдергивания лапки обусловлен возбуждением спинальных центров. Кристаллик соли, раздражая зрительные бугры, вызывает возбуждение, которое распространяется к спинальным центрам и тормозит их деятельность. И.М. Сеченов пришел к выводу, что торможение является следствием взаимодействия двух и более возбуждений на нейронах ЦНС. В этом случае одно возбуждение неизбежно становится тормозимым, а другое - тормозящим. Подавление одним возбуждением другого происходит как на уровне постсинаптических мембран (постсинаптическое торможение), так и за счет уменьшения эффективности действия возбуждающих синапсов на пресинаптическом уровне (пресинаптическое торможение).
Пресинаптическое торможение. Пресинаптическое торможение развивается в пресинаптической части синапса за счет воздействия на его мембрану аксо-аксональных синапсов. В результате как деполяризующего, так и гиперполяризующего воздействия происходит блокирование проведения импульсов возбуждения по пресинаптическим путям к постсинаптической нервной клетке.
Постсинаптическое торможение. Наибольшее распространение в ЦНС имеет механизм постсинаптического торможения, которое осуществляется специальными тормозными вставочными нервными клетками (например, клетки Реншоу в спинном мозге или клетки Пуркинье (грушевидные нейроны) в коре мозжечка). Особенность тормозных нервных клеток состоит в том, что в их синапсах имеются медиаторы, вызывающие на постсинаптической мембране нейрона ТПСП (тормозящие постсинаптические потенциалы), т.е. кратковременную гиперполяризацию. Например, для мотонейронов спинного мозга гиперполяризующим медиатором является аминокислота глицин, а для многих нейронов коры большого мозга таким медиатором служит гамма-аминомасляная кислота - ГАМК. Частным случаем постсинаптического является возвратное торможение.
Реципрокное торможение. Механизм постсинаптического торможения лежит в основе таких видов торможения, как реципрокное и латеральное. Реципрокное торможение является одним из физиологических механизмов координации деятельности нервных центров. Так, попеременно реципрокно тормозятся в продолговатом мозге центры вдоха и выдоха, прессорный и депрессорный сосудодвигательные центры. Реципрокное торможение проявляется на уровне спинного мозга при осуществлении строго координированных двигательных актов (ходьба, бег, чесание). На уровне сегментов спинного мозга возбуждение группы мотонейронов, вызывающих сокращение мышц-сгибателей, сопровождается реципрокным торможением другой группы мотонейронов, приводящих к расслаблению мышц-разгибателей.
Латеральное торможение. Активность нейронов или рецепторов, расположенных рядом с возбужденными нейронами или рецепторами, прекращается. Механизм латерального торможения обеспечивает дискриминаторную способность анализаторов. Так, в слуховом анализаторе латеральное торможение обеспечивает различение частоты звуков, в зрительном анализаторе латеральное торможение резко увеличивает контрастность контуров воспринимаемого изображения, а в тактильном анализаторе способствует дифференцировке двух точек прикосновения.
При поступлении возбуждений к синапсам нервной клетки на постси-наптических мембранах могут возникать процессы гиперполяризации. Гиперполяризация приводит к возрастанию критического уровня деполяризации мембраны, следовательно, затрудняет возникновение возбуждения. Такие постсинаптические потенциалы получили название «тормозящие постсинаптические потенциалы» (ТПСП); они возникают в синапсах, где медиатор вызывает гиперполяризацию постсинаптической мембраны.
Каждый нейрон синтезирует в своем теле и затем выделяет во всех своих синапсах один и тот же медиатор, поэтому нейроны и ацетилхолиновой передачей возбуждения называются холинергическими, с адреналиновой – адренергическими. К гиперполяризующим медиаторам относят ГАМК глицин. Эти медиаторы взаимодействуя с хеморецепторами постсинаптической мембраны, приводят к развитию ТПСП.
2. механизм мерцания капилляров
Термин «Мерцание капилляров» был впервые применен Крогом, это понятие объяснялось тем, что не все капилляры в каждый момент времени функционируют. На самом деле функционирует только часть их, т.к общая ёмкость капилляров больше, чем объем циркулирующей крови. Поэтому часть капилляров закрыта и выключена из кровообращения, а кровь протекает лишь по "дежурным" капиллярам. И эти дежурные капилляры работают в режиме "открытие-закрытие", который регулируется местными продуктами обмена. В период интенсивной деятельности органов, когда обмен в них увеличивается, количество функционирующих капилляров значительно возрастает.
На тонус сосудистой стенки влияют:эндотелиальные клетки, которые синтезируют и выделяют факторы, влияющие на расслабление гладкомышечных клеток сосудистой стенки, также на расслабление мышц влияют:оксид углерода, АДФ, АМФ, фосфорная и молочная кислоты.
Сокращение прекапиллярных сфинктеров и уменьшение капиллярного кровообращения обеспечивают вазопрессин и ангиотензин.
3. Регуляция моторики ЖКТ осуществляется тремя механизмами:
1) рефлекторным;
2) гуморальным;
3) местным.
Рефлекторный компонент вызывает торможение или активацию моторной деятельности при возбуждении рецепторов. Повышает моторную функцию парасимпатический отдел: для верхний части – блуждающие нервы, для нижней – тазовые. Тормозное влияние осуществляется за счет чревного сплетения симпатической нервной системы. При активации нижележащего отдела желудочно-кишечного тракта происходит торможение выше расположенного отдела.
В рефлекторной регуляции выделяют три рефлекса:
1) гастроэнтеральный (при возбуждении рецепторов желудка активируются другие отделы);
2) энтеро-энтеральный (оказывают как тормозное, так и возбуждающие действие на нижележащие отделы);
3) ректо-энтеральный (при наполнении прямой кишки возникает торможение).
Гуморальные механизмы преобладают в основном в двенадцатиперстной кишке и верхней трети тонкого кишечника.
Возбуждающее действие оказывают:
1) мотилин (вырабатывается клетками желудка и двенадцатиперстной кишки, оказывает активирующее влияние на весь желудочно-кишечный тракт);
2) гастрин (стимулирует моторику желудка);
3) бамбезин (вызывает отделение гастрина);
4) холецистокинин-панкреозинин (обеспечивает общее возбуждение);
5) секретин (активирует моторку, но тормозит сокращения в желудке).
Тормозное влияние оказывают:
1) вазоактивный интестинальный полипептид;
2) гастроингибирующий полипептид;
3) соматостатин;
4) энтероглюкагон.
Гормоны желез внутренней секреции также влияют на моторную функцию. Так, например, инсулин ее стимулирует, а адреналин тормозит.
Местные механизмы осуществляются за счет наличия метсимпатической нервной системы и преобладают в тонком и толстом кишечнике. (межмышечное сплетение –Ауэрбаха, подслизистое –Мейснерово)
Стимулирующее действие оказывают:
1) грубые непереваренные продукты (клетчатка);
2) соляная кислота;
4) конечные продукты расщепления белков и углеводов.